El problema del CO2 en el transporte: planteamiento

En este blog he hablado mucho de experimentos científicos que hacemos con niños, de carbón y energía y de reducción de emisiones de CO2 y he recopilado divulgación generada en otros lugares. Hoy, porque me apetece y por ampliar los contenidos del blog, quiero contar parte de la la investigación que realizamos en mi grupo de investigación.

Cuando trato temas de energía y emisiones de CO2 procuro remarcar el importante  papel que juega el sector transporte en el consumo energético global y en las emisiones globales de CO2. Lo hago, porque además de ser cierto, en nuestro grupo estudiamos procesos de obtención de hidrógeno a partir de bioalcoholes, como alternativa a la utilización de combustibles fósiles en vehículos. Desarrollamos catalizadores soportados que permiten obtener hidrógeno a partir de biometanol o bioetanol de forma selectiva y eficaz. Veamos los antecedentes del problema y alguna información más sobre otras alternativas que se pueden plantear.

¿Cuánta energía consumimos?

Obtener datos de consumos energéticos a nivel mundial (no en cuanto a consumos de energía primaria sino a energía final) es complicado, así que he recuperado un artículo que publicamos en el año 2007 (Towards the hydrogen energy, Int. J. Hydrogen Energy, 32 (12) 1625-1637) en el que  combinábamos todos los datos de 2004. En la siguiente figura, se resume toda la información disponible sobre fuentes de energía, vectores energéticos (electricidad y calor) y usos finales de energía.
Panorama energético mundial en 2004

De esta figura, en lo que se refiere a la producción de energía se puede destacar lo siguiente:
  • En el año 2004, a nivel mundial, el 77% de la energía era de origen fósil, el 5.4% nuclear y el resto (17.6%) renovable. 
  • La contribución energética de las energías renovables es principalmente hidráulica y biomasa (calor o cocinar).

Aunque han pasado 10 años de estos datos, la energía primaria consumida sigue siendo mayoritariamente de origen fósil, e incluso el porcentaje de uso de combustibles fósiles ha aumentado, alcanzando en 2012 un 81.7% del total (fuente Key World Energy Statistics, 2014).
El consumo de energía primaria en 2004 fue de 11.7 Gtoe mientras que en 2012 ascendió a 13.4 Gtoe, por lo que a pesar del innegable esfuerzo que se ha hecho en los países desarrollados por aumentar la presencia de energías renovables el uso de combustibles fósiles continúa siendo imprescindible, puesto que la energía nuclear no ha sufrido variaciones significativas (en términos globales).

¿Cómo consumimos la energía?

Lo primero que hay que decir es que para consumir la energía generalmente la tenemos que transformar, en electricidad, en calor o en combustibles para transporte, y se le denomina energía final. La proporción de energía final mundial en 2004 fue la siguiente:
  • El 38.1% de energía la consumimos como electricidad (aunque el 4.2% del total se pierde)
  • El 44.3% de energía se consume en forma de calor
  • El 17.6% de energía se consume como combustibles para el transporte

En lo que se refiere a usuario final el consumo energético se reparte de la siguiente forma:
  • 45% industria
  • 32.7% hogares
  • 18.1 % transporte
  • 4.2% pérdidas
En España (y en general en los países desarrollados) la importancia del transporte aumenta. En nuestro caso particular el reparto es:
Instituto para la Diversificación y Ahorro de la Energía, Guía Práctica de la Energía
En números redondos, la cuarta parte de los combustibles fósiles que consumimos se utilizan en el sector transporte, y la relación entre el uso de combustibles fósiles y el aumento de emisiones de CO2 está demostrada. Sin embargo, las medidas que se están planteando para la reducción de emisiones de CO2 están mayoritariamente dirigidas a reducción de emisiones en fuentes estacionarias de emisión, es decir en grandes instalaciones que producen cantidades significativas de CO2 (como por ejemplo las centrales térmicas de carbón o de gas natural). En el caso de fuentes móviles (como cualquiera asociada al transporte) las alternativas de las que disponemos están más limitadas puesto que las opciones de captura de CO2 que son tecnológica y económicamente viables en sistemas fijos no lo son en sistemas móviles al existir restricciones de tamaño y de peso.

Así pues, ¿cuáles son las alternativas para tener un sistema de transporte más limpio?
Pues básicamente tres:
  1. sustituir los combustibles actuales por combustibles más limpios idealmente biocombustibles 
  2. los vehículos eléctricos 
  3. los vehículos de hidrógeno.


  LOS BIOCOMBUSTIBLES


Los biocombustibles son combustibles derivados de biomasa, sus características difieren en función del precursor y del procedimiento empleado para su obtención. Los biocombustibles más habituales son el biodiésel (que sustituye al diésel obtenido de petróleo) y el bioetanol, un alcohol que se puede mezclar con la gasolina y utilizar directamente en los vehículos de gasolina sin necesidad de modificarlos (con concentraciones de bioetanol relativamente bajas 5-10%). Estos biocombustibles se queman en los motores de combustión interna de los vehículos y se genera CO2. Sin embargo se considera que el CO2 que se emite durante la utilización del combustible es equivalente al CO2 fijado por la biomasa durante su crecimiento, y por tanto las emisiones netas de CO2 se consideran nulas. Esto es así solo si durante las operaciones de gestión de la biomasa: recolección y tratamientos necesarios para su transformación en el biocombustible no se utilizan fuentes de energía fósiles.

A pesar de que el biodiésel y el bioetanol son los combustibles más utilizados existen otros que pueden ser también interesantes para la producción de energía, como son el biometanol, que es un alcohol más ligero que el bioetanol y por tanto más fácil de transformar (en términos energéticos) y la glicerina.
Existen muchas alternativas para la producción de biocombustibles, aunque la mayor parte de ellas requieren grandes extensiones para cultivo, lo que es su mayor inconveniente, asociado al hecho de que los motores de combustión de los vehículos son bastante menos eficientes que otras alternativas que implican igualmente la utilización de biocombustibles, aunque no de forma directa. A ver si despega pronto la producción de biodiésel con algas, que eso sí que ocupa poco volumen...
Bioreactor con algas (wikipedia)
Una puntualización adicional, los biocombustibles que sustituyen a los combustibles convencionales en motores de combustión han de ser puros, no pueden tener nada de agua en su composición, lo que en el caso de los bioalcoholes implica procesos de purificación bastante costosos.

LOS COCHES ELÉCTRICOS

En los últimos 10 años los coches híbridos, que combinan un motor convencional de combustión con un sistema electrico que permite la recuperación de parte de la energía de la frenada y el almacenamiento en una batería, han proliferado bastante. Estos sistemas se caracterizan por un mejor aprovechamiento de la gasolina y tienen buena autonomía. Los coches electricos puros presentan tres problemas: la baja autonomía, el (largo) tiempo de carga y que las baterías no son buenos sistemas de arranque. Un punto adicional a considerar es que no toda la electricidad se obtiene a partir de fuentes renovables.
Nissan LEAF got thirsty.jpg
"Nissan LEAF got thirsty" by evgonetwork (eVgo Network). Original image was trimmed and retouched (lighting and color tones) by User:Mariordo - http://www.flickr.com/photos/evgo/6545153803/. Licensed under CC BY 2.0 via Wikimedia Commons.

Por cierto, aunque hablemos de coches, en realidad también existen otro tipo de vehículos eléctricos, trenes (con gran implantación), barcos e incluso aviones.


LOS COCHES DE HIDRÓGENO

La alternativa estrella es el desarrollo de los coches de hidrógeno. Se trata de sistemas que combinan un combustible limpio con las pilas de combustible, un sistema de transformación mucho más eficiente que el motor de combustión.
Las pilas de combustible son dispositivos electroquímicos que transforman el hidrógeno y el oxígeno del aire en agua produciendo electricidad. Los coches de hidrógeno serían un caso especial de coche eléctrico en el que la electricidad se genera en el propio vehículo a través de una reacción química. Como es una reacción entre hidrógeno y oxígeno no se puede formar CO2. Hace poco se presentó el Toyota Mirai que utiliza esta tecnología y ya es un vehículo comercial, aunque aún no está al alcance de todos los bolsillos su precio no es desorbitado, 57000 $.

Toyota Mirai, por Mariordo (Mario Roberto Duran Ortiz) (Own work) [CC BY-SA 4.0 (http://creativecommons.org/licenses/by-sa/4.0)], via Wikimedia Commons

Toyota anunció, hace 20 días, que iba a liberar más de 5000 patentes relacionadas con su tecnología de hidrógeno y pilas de combustible para favorecer la implantación de estos sistemas en el mercado, lo que sin duda animará a otros fabricantes a invertir en I+D en estos temas. 

¿Qué hacemos en nuestro laboratorio?

El Toyota Mirai utiliza un depósito de fibra de carbono para almacenar el hidrógeno, y existen diversos grupos de investigación que estudian cómo mejorar los materiales de carbono para optimizar el almacenamiento de hidrógeno, pero no es a eso a lo que nos dedicamos en nuestro laboratorio.
Nosotros nos centramos en la  producción de hidrógeno. El hidrógeno, al igual que la electricidad es un vector energético, no se encuentra libre en la naturaleza, es necesario producirlo y en función del método que se escoja para producirlo será verde o gris (la producción industrial de hidrógeno se lleva a cabo prácticamente en su totalidad a partir de gas natural).
Nosotros estudiamos la transformación de mezclas bioalcohol+agua (nótese la diferencia respecto a los biocombustibles) en hidrógeno mediante reacciones de reformado con vapor e intentamos desarrollar catalizadores que logren conversiones eficientes (y selectivas) a temperaturas moderadas.

Además, a la hora de diseñar los vehículos de hidrógeno existe la alternativa que utiliza Toyota que es el almacenamiento de hidrógeno en el vehículo pero existe también la posibilidad de sintetizar el hidrógeno en el propio vehículo a partir de mezclas alcohol+agua y en este caso el depósito necesario para alcanzar las autonomías de los vehículos actuales e igual que el de nuestros coches. Esto es importante, porque los depósitos de hidrógeno comprimido suelen ser o muy grandes o muy pesados, lo que perjudica la habitabilidad del vehículo o su autonomía.


¡No me quiero enrollar más!, solo añadir que en la Estrategia Europea de Desarrollo Sostenible se incluye como objetivo aumentar la implantación del hidrógeno en el sector transporte. Sobre cómo conseguirlo hablaremos más adelante.

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Quiero agradecer a Ana Ribera (@molinos1282) sus comentarios que me han permitido reescribir algunas secciones del post, ganando con ello claridad en el texto.

Gtoe: miles de millones de toneladas equivalentes de petróleo
Si aún te quedan dudas sobre la relación entre CO2y cambio climático te recomiendo que veas la grabación de la conferencia que di en Astorga sobre Energía y Cambio Climático y el Taller del CRFP-CLM sobre Los Mitos del Cambio climático.