Determinar prioridades temáticas para la inversión pública en Ciencia y Tecnología constituye una decisión estratégica con consecuencias de largo alcance que es inevitablemente tomada por el Estado y el campo de la Energía, tanto por su importancia social y económica como por las características que poseen el desarrollo y maduración de sus tecnologías centrales; es una de las áreas en las que, por acción u omisión, el Estado juega inevitablemente un papel fundamental.

Por estas razones conviene destacar aquellos datos básicos que deben tomarse en cuenta respecto de la situación y perspectivas del mercado mundial y cuáles son las líneas de trabajo principales sobre las que se debería orientar el esfuerzo local de investigación y desarrollo durante los próximos años.

El Consumo de Energía

Uno de los datos necesarios para tomar esta decisión es el que corresponde a la magnitud de la demanda energética y su evolución probable. Para estimar esa demanda es preciso tomar en cuenta algunos hechos:

• El consumo de energía por habitante en los países ricos se ha estabilizado en las últimas décadas en un valor que, en promedio, es de 4 a 5 tep (1*), independientemente del crecimiento del PBI.
• El consumo energético en los países en desarrollo aumenta con el crecimiento del PBI y se encuentra en un valor promedio cercano a 0,5 tep por habitante
• El crecimiento de la población mundial está bien representado por una curva logística [1] y se encuentra aún en la etapa previa al punto de inflexión. A partir de estos datos es posible calcular la evolución de la demanda mundial de energía para las próximas décadas, suponiendo un crecimiento logístico tendiente a alcanzar un límite de consumo per cápita cercano al de los países ricos (hipótesis de alto crecimiento) o del orden de la mitad de ese valor (hipótesis de bajo crecimiento) y se obtienen los resultados que se muestra en la Figura 1 [2]
  
  

Fuentes primarias de energía

Fuentes actuales

La combustión de sustancias fósiles es hoy responsable del aprovisionamiento de alrededor del 85% de la demanda mundial de energía, mientras que el 15% restante está satisfecho por energía hidroeléctrica y nuclear. De este menú, el carbón y el petróleo tienen una fracción de mercado de alrededor del 30% y el gas natural un 25% en tanto que el uso de fuentes como la energía eólica, la solar, etc. es irrelevante.

Cabe preguntarse cuál es la capacidad que las distintas fuentes tienen para sostener la demanda esperada durante los próximos años. En tal sentido, podemos analizar algunos datos.

Hidroelectrícidad:

Todos los análisis prospectivos coinciden en que no existe posibilidad de extender la fracción del mercado mundial ocupada por la hidroelectricidad y que esa fracción disminuirá como consecuencia de haberse aprovechado ya casi todos los emplazamientos donde pueden llevarse a cabo obras de cierta envergadura.

Energía nuclear:

La capacidad de abastecimiento de energía que pueden ofrecer las centrales nucleares de fisión depende críticamente del tipo de tecnología empleada. Las reservas conocidas de uranio sólo permitirían generar unos 250 PWh si se emplean reactores convencionales. En cambio, si se utilizaran reactores reproductores, esas mismas reservas podrían generar alrededor de 16.000 PWh. No se considera en el análisis la utilización del proceso de fusión nuclear ya que se trata de un proceso que, hasta ahora, no ha superado la etapa de investigación básica, si bien de poder concretarse su uso pondría a disposición una capacidad prácticamente inagotable de producción energética.

Carbón:

Entre las fuentes primarias es la que posee un mayor volumen de reservas, cuya magnitud permitiría generar alrededor de 59.000 PWh. Sin embargo, muchas de estas reservas se encuentran a grandes profundidades y será necesario desarrollar tecnologías apropiadas para lograr una velocidad de extracción comparable a la que se da en los yacimientos superficiales.

Hidrocarburos fluidos. Petróleo y gas natural:

La capacidad de los recursos existentes en la forma de hidrocarburos líquidos o gaseosos es un tema que conviene analizar. Existe una tendencia entre los economistas y profesionales de la industria del petróleo a creer que las reservas son lo suficientemente grandes como para considerarlas infinitas. Esta postura es más el resultado de una expresión de deseos que el de una elaboración racional basada en datos concretos.

Al respecto, el geólogo inglés Colin Campbell en su reciente libro "The Coming Oil Crisis" [3], sostiene que el análisis del horizonte de las reservas no puede basarse en lo que comunican gobiernos y compañías quienes, por motivos comerciales y políticos tienen interés en exagerar o subvaluar las reservas existentes y propone fundamentarlo sobre un estudio de la evolución de la producción de crudo y gas y del dimensionamíento concreto de los campos descubiertos.

A partir de esto, determina que estamos acercándonos al límite de las reservas de petróleo convencional. Esta conclusión se refuerza cuando se estudia cómo ha evolucionado la eficiencia de las perforaciones de exploración realizadas ya que, luego del incentivo que significó para la exploración el incremento de precios de principios de los '70, y pese a los avances tecnológicos alcanzados en el análisis sísmico y los aportes de la prospección satelital, el fuerte crecimiento en el número de pozos de exploración perforados no estuvo acompañado por un aumento correlativo en el volumen de petróleo descubierto y la exploración ha disminuido significativamente. Otro dato importante es que los descubrimientos cubicados están, desde hace más de 15 años, por debajo de los 20 Gb/año (2), lo que no alcanza a compensar el consumo mundial.

A partir de los datos obtenidos se estimó el volumen total de petróleo en el planeta, la cantidad estimada de crudo a descubrir y el remanente a extraer. En la Tabla 1 se vuelcan esos resultados.

Por otra parte, a través del estudio de un número importante de casos, Campbell y Laherrére [4] mostraron que la explotación irrestricta de un yacimiento evoluciona de acuerdo con una curva de forma de campana, que es la derivada de una función logística, pero cuando se introducen restricciones externas, la producción cae por debajo de la campana teórica.

Aplicando este modelo se puede estimar el momento en que se habrán agotado la mitad de las reservas y la producción comenzará a disminuir. En la Tabla 2 se muestran algunos resultados.

Fuentes primarias alternativas

Petróleo no tradicional:

Existen reservas de petróleo que, por su naturaleza, ofrecen serias dificultades de explotación y en las cuales el crudo posee características diferentes al fluido que hoy se explota. Esta categoría la constituyen los siguientes tipos de reserva: Esquistos bituminosos; Arenas bituminosas; Crudos pesados; y Petróleo de recuperación secundaria y terciaria.

Si bien las reservas son grandes, no existen aún tecnologías que permitan su explotación sin un serio impacto ambiental y el costo de producción es varias veces mayor que el del crudo normal. Las estimaciones más optimistas indican que, hacia el 2025, la producción de petróleo de esta categoría podría llegar a 5-6 Gb/año.

Fuentes renovables:

La única fuente renovable de energía que hoy contribuye significativamente es la hidráulica. Sin embargo, desde hace tiempo se vienen investigando otras fuentes renovables, como la energía solar, la eólica o la biomasa. En la Tabla 3 [2] se muestra una estimación de la capacidad de abastecimiento energético de las fuentes renovables más importantes.

La atención de la demanda

Recordando los resultados de la Figura 1, que muestran la evolución esperada para la demanda mundial de energía, es posible sacar algunas conclusiones.

Si nos remitimos a las fuentes primarias hoy en uso tenemos, si se utilizara exclusivamente una fuente primaria para atender la demanda total el plazo de agotamiento de cada una de ellas estaría dado por los valores representados en la Figura 2.

En lo que hace a las fuentes alternativas, el petróleo de tipo no tradicional presenta aún incertidumbres respecto del real tamaño de las reservas,y de las características de las tecnologías de extracción, por lo que resulta difícil determinar el volumen posible de ser explotado.

Respecto de las fuentes renovables, los datos de la Tabla 3 indican que la energía eólica es insuficiente para atender la demanda mundial. Por su parte, el empleo del gradiente térmico del océano y el de la biomasa sólo podrían atender una fracción de la demanda. La energía solar es, entonces, la única fuente renovable capaz de satisfacer por sí misma la demanda potencial. De todas maneras, debe tenerse en cuenta que el costo del kWh obtenido por cualquiera de estas fuentes aún es alto [5].

El problema ambiental

La segunda cuestión a considerar en relación con las alternativas para satisfacer la demanda de energía es la que se refiere a las consecuencias ambientales de utilizar una u otra fuente primaria. A pesar de que ya es un lugar común la discusión sobre los gases de efecto invernadero, la gravedad de la situación está subestimada.

A partir de medidas realizadas en las burbujas de aire ocluidas en muestras de hielo de glaciares, que pueden fecharse con precisión adecuada, ha sido posible determinar cómo ha variado el contenido de CO2 en la atmósfera durante los últimos 700.000 años [6]. Los resultados permiten señalar que:

1. El nivel de CO2 en el aire varió, hasta el siglo pasado entre máximos de 250-270 ppm y mínimos de 190-210 ppm
2. Hacia 1700 A.D. se había alcanzado un máximo cercano a los valores normales y, aparentemente, estaba por comenzar el ciclo de disminución. La Revolución Industrial puso en marcha un proceso de emisión extraordinaria de CO2 que determinó un aumento continuo de la concentración de ese gas, que ha alcanzado valores muy superiores a cualquier marca histórica y cuya velocidad adquirió órdenes de magnitud mayor que la verificada en cualquier otro momento.
3. Los máximos de concentración de CO2 alcanzados históricamente precedieron el desarrollo de glaciaciones producidas a lo largo de algunos miles de años luego de haberse alcanzado ese máximo.

Por otra parte, estudios de resonancia magnética nuclear sobre muestras de aire han determinado que el incremento de la concentración de ese gas es responsabilidad casi total del uso de combustibles fósiles.

Es evidente, entonces, que el uso intensivo de combustibles fósiles ha desencadenado una perturbación en la composición de la atmósfera de magnitud desconocida y ha puesto en marcha procesos de reacción a ese cambio que derivarán en cambios climáticos de magnitud y velocidad desconocidas en lo que va del período cuaternario.

Por estas razones, y tomando en cuenta los efectos y riesgos que caracterizan a las distintas fuentes primarias de energía se ha propuesto una calificación de las mismas según su impacto ambiental en una escala que va de 1 (la menos contaminante) a 10 (la más contaminante). La Tabla 4 muestra esa calificación.

A pesar de la renuencia de las naciones industrializadas respecto de suscribir compromisos concretos para reducción de emisiones, el impacto de la emisión de C02 sobre el clima es claramente reconocido como un problema grave y urgente y, de hecho, se están tomando medidas importantes a nivel nacional y regional. El interrogante es si se logrará alcanzar una solución a tiempo.

Perspectivas del mercado energético

Para analizar la estructura básica del mercado energético de modo de obtener predicciones razonables respecto de su futuro, se toma como base el trabajo de Marchetti y Nakicenovic, en el que se planteó una extensión del método de sustitución logística al estudio de la competencia entre fuentes primarias de energía [7]. En su trabajo, publicado a comienzos de los '70, estos autores lograron ajustar los datos históricos y mostraron la capacidad predictiva del modelo.

Sin embargo cuando se realizó el cálculo dos décadas más tarde [8] se encontró que la capacidad predictiva de había deteriorado: el carbón no cayó de acuerdo con lo previsto, y la participación del gas natural se estancó en lugar de crecer Las razones para esta discrepancia se encuentran en los supuestos implícitos en el método de Marchetti y, por lo tanto, propusimos analizar la evolución de la estructura del mercado en términos de dos formas de competencia binaria: una planteada desde la oferta y la segunda desde la demanda.

En la primera de estas aproximaciones, la competencia se considera planteada entre las fuentes primarias fósiles y las no fósiles; en el segundo se analiza la evolución del mercado en términos de la sustitución de formas no eléctricas de energía entregada por electricidad. A fin de decidir cuál de estos puntos de vista es más confiable se analizaron ambos procesos de competencia en un grupo de 42 países de características muy diversas [9].

Los resultados obtenidos mostraron que, en todos los casos, la competencia energía eléctrica vs energía no eléctrica representa razonablemente la situación, en tanto que en muchos casos el análisis en términos de fósil vs no fósil es errático o aún opuesto a las tendencias mundiales. Nuestra conclusión, es que la dinámica del mercado energético está orientada por el crecimiento de la fracción que debe ser satisfecha con electricidad.

Los dilemas del aprovisionamiento de energía

La consideración de posibles alternativas para el aprovisionamiento de energía en el futuro debe tomar en cuenta no sólo el costo actual de la energía producida, sino también la capacidad de las fuentes a utilizar, su impacto ambiental y la compatibilidad de las tecnologías necesarias con la infraestructura. Por ello, es conveniente dividir el análisis en dos partes: la producción de energía eléctrica en centrales de tamaño importante y la provisión de energía a usuarios dispersos.

Generación eléctrica en centrales:

El único combustible fósil en condiciones de sostener la demanda por un período suficientemente prolongado es el carbón. Sin embargo, es la alternativa que más afecta al ambiente. En tal sentido, el Departamento de Energía de los EE.UU. financia un programa cuyo objetivo es producir la combustión de carbón en centrales eliminando las emisiones perjudiciales para el ambiente. Se trabaja sobre la posibilidad de captar las emisiones de una central, tratarlas para eliminar contaminantes activos como óxidos de azufre y nitrógeno, monóxido de carbono, cenizas, hollín, separar el C02 y transportarlo para su reinyección en pozos de petróleo agotados o para ser hundido a grandes profundidades en el mar para su disolución.

Las tecnologías necesarias aún no están disponibles, ni existe un acuerdo definitivo sobre el impacto que tendría esta estrategia. Además, según lo estimado, el costo de producción de un kWh libre de C02 será de u$s 0,04, comparable al mejor valor esperado para la energía eólica en el futuro inmediato y mucho mayor que el costo de generación actual.

Provisión de energía a usuarios dispersos:

El abastecimiento de energía a usuarios dispersos incluye el sector del transporte, que da cuenta de alrededor del 30% del consumo actual. Por lo tanto, constituye un sector de enorme importancia en el planeamiento estratégico futuro para el que es necesario pensar alternativas que le permitan satisfacer esa demanda en condiciones ambientales y económicas aceptables.

En este aspecto, se mencionan varias alternativas: usar sistemas catalizadores para eliminar emisiones de combustibles fósiles, emplear combustibles generados a partir de la biomasa o utilizar hidrógeno obtenido por descomposición de agua en las centrales eléctricas.

El empleo de combustibles fósiles en motores de alta eficiencia acoplados con catalizadores para tratar emisiones no resuelve, sino que atenúa, el problema del CO2 y, por lo tanto, no puede considerarse como una solución a largo plazo.

Por su parte, la utilización de la biomasa, aún suponiendo rindes por Ha mucho mayores a los actuales, exigiría una superficie cultivada dedicada exclusivamente a la producción de combustibles demasiado grande como para poder considerarla una alternativa válida en el mediano plazo [2].

Queda, en consecuencia, la alternativa de producción de hidrógeno a partir de excedentes de electricidad disponibles, durante lapsos más o menos prolongados, en las centrales de generación.

La posibilidad de emplear el hidrógeno como vector de la energía eléctrica generada en centrales no contaminantes, es la mejor de las alternativas propuestas y, para poder implementarla resulta necesario desarrollar y dominar un conjunto de tecnologías que permitan satisfacer las tres etapas del proceso: producir el hidrógeno por descomposición de agua; almacenarlo y transportarlo hasta el sitio de uso final; y quemarlo para generar energía localmente.

La producción de hidrógeno se viene realizando a escala industrial desde hace más de cien años por electrólisis en medio alcalino y hoy hay trabajos de investigación y desarrollo para realizar este proceso en fase vapor, a altas temperaturas (ca. 1000ºC), condiciones en las que se espera obtener mejores costos [11].

En cuanto al almacenamiento y transporte de hidrógeno, los métodos que han tenido algún nivel de desarrollo son los siguientes:

• Métodos físicos gas a alta presión; hidrógeno líquido; encapsulamiento en microesferas de vidrio; adsorción en nanofibras de carbono
• Métodos químicos: hidruros metálicos; amoniaco; hidruro de calcio; hidruros orgánicos.

Entre ellos, el uso de hidrógeno líquido ha mostrado un gran avance en los últimos 10 años y, de hecho, varios de los modelos experimentales de vehículos desarrollados por BMW y Mercedes Benz llevan tanques de hidrógeno líquido. Más recientemente, algunos resultados obtenidos a escala de laboratorio han mostrado que el uso de nanofibras de carbono para la adsorción de hidrógeno tiene un extraordinario potencial que, si pudiera trasladarse a escalas comerciales podría otorgar una autonomía de casi 2000 km a un automóvil con un tanque de peso y tamaño semejante a los actuales.

Por último, y en relación con el uso del hidrógeno para generar energía, existen dos formas de producir la combustión de ese elemento: a través de métodos convencionales de combinación directa con oxígeno o por medio de los dispositivos conocidos como celdas de combustible.

La combustión directa de hidrógeno se ha venido estudiando, desde hace ya varías décadas, para la impulsión de vehículos terrestres y aéreos. Entre los desarrollos más recientes en este sentido se puede mencionar, como ejemplo, el ómnibus experimentado por Daimler Benz en el que el hidrógeno se almacena como gas comprimido.

La otra forma de quemar el hidrógeno es por vía indirecta, a través de las celdas de combustible. Estas presentan varias ventajas respecto de los motores de combustión interna: alta eficiencia de conversión, muy baja emisión de contaminantes, operación silenciosa, ausencia de partes móviles que reducen las necesidades de mantenimiento y posibilitan la operación automática bajando los costos operativos.

Conclusiones y recomendaciones

En cuanto a las acciones que deberían tomarse para orientar las actividades de investigación y desarrollo y de innovación tecnológica en el campo energético y, en base a los datos expuestos, surgen varias conclusiones:

• En los próximos diez años el comienzo de la caída de los niveles de producción de petróleo y gas natural a bajo costo y los problemas ambientales asociados con el uso de combustibles fósiles crearán una fuerte presión para pasar a otras fuentes primarias de energía y, para esa época, la única en condiciones de tomar la demanda sin generar CO2 es la generación nuclear.
• Los límites fijados por la eficiencia de utilización del uranio no permitirá que las centrales de fisión nuclear convencionales se hagan cargo del mercado a satisfacer, por lo que habrá un fuerte impulso para pasar a centrales reproductoras
• La utilización de hidrógeno como combustible comenzará a tener un desarrollo significativo en el transporte y, en particular, el uso de celdas de combustible parece ser interesante
• Los planes que están desarrollando países como los EE.UU., Francia, Alemania y Japón muestran que, independientemente de que se firmen o no los compromisos internacionales ambientales, estos países están trabajando en la búsqueda de alternativas no contaminantes para la producción de energía. Podemos suponer, entonces, que en el momento en que sus sistemas estén en condiciones introducirán las limitaciones ambientales como barreras para arancelarias mediante las cuales se podrán sustituir sistemas de subsidios

En consecuencia, y tomando en cuenta las características que ha tenido el desarrollo científico y tecnológico argentino en el área de la energía y las peculiaridades de distribución de fuentes primarias que presenta nuestro país, deberíamos tomar una serie de medidas:

• Favorecer, en lo inmediato, iniciativas que apunten al uso del gas natural, no sólo en la generación de electricidad, sino también en la propulsión de vehículos y en su aplicación en celdas de combustible. De este modo se mejorará la eficiencia en el uso de los recursos, se reducirá el daño ambiental y se preparará el terreno para ¡a transición al empleo de hidrógeno
• Mantener, y en lo posible incrementar, las actividades de generación nuclear convencional
• Impulsar programas de l+D en reactores reproductores
• Impulsar programas de l+D en las distintas fases del ciclo del hidrógeno
• Promover actividades de generación eólica
• Promover I+D en el área solar

Si pudiéramos sostener un programa basado en estos puntos durante los próximos diez o quince años contribuiremos decisivamente a lograr una posición estratégicamente favorable en el concierto económico y, teniendo en cuenta la capacidad adquirida en el área nuclear y en la de uso de gas natural, así como el potencial existente en el sistema científico tecnológico, no existirían razones para que no podamos lograr este objetivo.

Referencias

1. L. Cóppola y C.M. Marschoff - "Bases para la formulación de una política energética de mediano y largo plazo en Argentina" Buenos Aires, 1990
2. C.M. Marschoff - "Las fuentes de energía del Siglo XXI". Fondo de Cultura Económica, Buenos Aires, 1992.
3. C. J. Campbell - "The coming oil crisis", MultiScience Publ. Co. & Petroconsultants S.A., Brentwood, Inglaterra (1998)
4. C.J. Campbell y J. H. Lahérrere - "The world's supply of oil 1930-2050" Petroconsultants Report, Ginebra 1995
5. International Energy Agency - "Energy TechnoIogies for the 21 st. Century". París, 1997
6. G. Sandstede - en "Wasserstoffwirtschaft", DECHEMA Monographien,Vol. 106, p.9,VCH Verlag, Weinheim
7. C. Marchetti y N. Nakicenovic - International lnstitute forApplied Systems Analysis RR 79-13,
8. L. Cóppola y C.M. Marschoff - Energy, 18, 273 (1993)
9. A.Terneus Escudero, L. Cóppola y C.M. Marschoff - Energy Convers. Mgmt. 38, 415 (1997)

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