Como les prometí, les ofrezco hoy el primero de los dos posts que Antonio García-Olivares ha escrito para resumir los aspectos fundamentales del artículo que él lideró y fue recientemente publicado en la revista Energy Conversion and Management.En él se analiza con exhaustivo detalle cómo debería ser un sistema de transporte 100% renovable, sobre todo discutiendo los cuellos de botella de tal transición. Esta primera parte del trabajo discute sobre las tecnologías necesarias. Fíjense que, además de las cuestiones tecnológicas, hay ciertas cuestiones sociales que afectan al uso de la energía y que deben abordarse en paralelo.
Estoy seguro de que el artículo será de su mayor interés.
Salu2,
AMT
El transporte en un sistema energético 100% renovable.
Parte 1: Tecnologías.
Antonio García-Olivares, Jordi Solé, Oleg Osychenko
1. Introducción
Algunos de los principales desafíos a los que se enfrenta la economía mundial actual son la seguridad energética, la sostenibilidad, la contaminación y los impactos del cambio climático. Algunos autores y organizaciones han defendido una transición a una economía 100% renovable como una forma de lograr una solución definitiva y duradera a estos desafíos (Jacobson and Delucchi 2011; García-Olivares et al. 2012; IPCC 2011; Singer 2011; Lehmann and Nowakowski 2014; Creutzig et al. 2014; Sgouridis et al. 2016; Breyer et al. 2017).
En tal transición, la conversión del sistema de transporte actual parece ser uno de los aspectos más difíciles. En la actualidad, el transporte mundial sigue dependiendo en gran medida de los combustibles fósiles (principalmente, petróleo), que se espera que declinen en unas pocas décadas (Aleklett et al., 2010; Murray y King, 2012; García-Olivares y Ballabrera 2014); Además, el transporte mundial produce una fracción significativa de los gases de efecto invernadero, la contaminación en las áreas metropolitanas y también es una fuente de millones de accidentes cada año.
El petróleo es el principal proveedor de energía en la combinación energética del transporte: más del 94% de la demanda total de energía para el transporte proviene del petróleo, 3% del gas natural y otros combustibles, 2% de biocombustibles y 1% de electricidad, ( IEA, 2012a).
Con respecto al transporte de pasajeros, los vehículos ligeros (LDV) consumieron alrededor de la mitad de la energía total del transporte (IEA, 2012b). El transporte de mercancías consumió casi el 45% de la energía total del transporte en 2009, y los vehículos pesados (HDV) utilizaron más de la mitad de eso. Si los combustibles se mantuvieran como los principales portadores de energía del transporte en una economía 100% renovable, la síntesis de estos combustibles a partir de la electricidad consumiría una fracción desproporcionadamente grande de energía secundaria (García-Olivares 2015). Además, la referencia anterior muestra que una economía 100% renovable puede tener serias dificultades para crecer más allá de una producción de electricidad de 12 TWa/a. Ese vector energético y la biomasa que estaría disponible de manera sostenible no serían suficientes para satisfacer simultáneamente la demanda de energía, la demanda de metano en la producción de amoníaco (para la agricultura) y la producción sintética de hidrocarburos y olefinas para una industria petroquímica de tamaño similar al actual. Por lo tanto, en tal escenario, los hidrocarburos serían escasos y costosos, y cualquier uso directo de la red eléctrica por parte del sector del transporte, si fuera posible, sería la opción más económica y menos despilfarradora de energía. Esto implicaría una amplia reestructuración del transporte terrestre, porque el marítimo y la aviación seguirían atadas a combustibles como el metano, el hidrógeno y el keroseno de aviación que, a largo plazo, deberían ser producidos sintéticamente desde electricidad, biogás y carbón vegetal renovables.
2. Tecnologías e infraestructuras para un transporte post-carbono
2.1. Electrification of urban and inter-urban transport
El hidrógeno ha sido propuesto como un vector energético que es similar a la gasolina y el gas natural, y que podría usarse para el transporte terrestre y marítimo (Farrell et al., 2003). Sin embargo, los actuales sistemas electrolíticos requieren alrededor de 60 kWh para producir 1 kg de hidrógeno (Ivy 2004), lo que implica una eficiencia energética del 65% si tomamos el contenido calórico alto (HHV) del hidrógeno. Esto implica que el hidrógeno producido y consumido en el sitio requiere 1.53 veces más energía (electricidad) que su propio contenido HHV. Si también se tienen en cuenta las pérdidas a lo largo de la cadena de conversión del hidrógeno, es decir, la contención, la licuefacción, el transporte y la manipulación, el resultado es que la producción de hidrógeno para el consumo de una turbina de gas o una pila de combustible requiere 2,1 veces su valor calórico bajo (LHV) en forma de electricidad (Bossel, 2005).
Además, los motores eléctricos son más eficientes que los motores de pila de combustible (Tabla 2) y, por ambas razones, un vehículo con pila de combustible requiere 3.6 veces más consumo integrado de electricidad que un vehículo eléctrico (Bossel 2005). Además, se estima que el hidrógeno producido a partir de la electricidad eólica costará 6,27 $ / kg (NREL 2017) si se expresa en USD de 2015. Si usamos el contenido calórico bajo del hidrógeno (120,21 MJ /kg) y lo comparamos con el costo nivelado de la electricidad producida por turbinas eólicas en los EE. UU. (aproximadamente 52 $ /MWh en USD de 2015, según EIA 2017) obtenemos que la energía del hidrógeno producido a partir de viento es aproximadamente cuatro veces más cara que el uso directo de la electricidad eólica.
Además, los motores eléctricos son más eficientes que los motores de pila de combustible (Tabla 2) y, por ambas razones, un vehículo con pila de combustible requiere 3.6 veces más consumo integrado de electricidad que un vehículo eléctrico (Bossel 2005). Además, se estima que el hidrógeno producido a partir de la electricidad eólica costará 6,27 $ / kg (NREL 2017) si se expresa en USD de 2015. Si usamos el contenido calórico bajo del hidrógeno (120,21 MJ /kg) y lo comparamos con el costo nivelado de la electricidad producida por turbinas eólicas en los EE. UU. (aproximadamente 52 $ /MWh en USD de 2015, según EIA 2017) obtenemos que la energía del hidrógeno producido a partir de viento es aproximadamente cuatro veces más cara que el uso directo de la electricidad eólica.
Tecnología
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Eficiencia
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Referencia
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Vehículo de Gasolina
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0.20
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Van Mierlo 2006
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Vehículo Diesel
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0.25
|
Van Mierlo 2006
|
Combustión Interna
|
0.225
|
Enea 2016
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Motor Diesel de barco
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0.42*
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Wärtsilä 2014
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Motor de pila de combustible
|
0.40
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Hekkert et al. 2005
|
Motor de batería
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0.80
|
Gagnon 2008
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Motor alimentado por catenaria
|
0.95
|
Gagnon 2008
|
Electricidad-a-hidrógeno
|
0.48
|
Ivy 2004
Bossel 2005
|
Electricidad-a-gas
|
0.40
|
Gagnon 2008
Götz et al 2016
|
Electricidad-a-combustible de aviación
|
0.24
|
Elgowainy et al. 2012
|
* Usamos el valor más bajo del rango de eficiencias dado por Wärtsilä (2014)
Tabla 2. Eficiencias de diferentes motores y procesos.
Los sistemas de transporte terrestre eléctrico más eficientes energéticamente para carga y pasajeros, son los basados en catenarias, como los trenes y los sistemas de metro (Teske et al., 2015). Estos sistemas parecen apropiados para el transporte entre ciudades y en áreas metropolitanas, ya que la red eléctrica es densa en dichas áreas. El uso generalizado de estos sistemas permitiría reservar los vehículos eléctricos (EV) para el transporte de corta distancia entre ciudades y poblaciones que no cuentan con transporte público (García-Olivares et al., 2012).
Alrededor de 1117 millones de vehículos ligeros (LDV) (que incluye 130 millones de vehículos comerciales ligeros), y 669 millones de vehículos de dos y tres ruedas circularon en 2015 de acuerdo con IEA (2016). El número de camiones de carga mediana y alta fue de 32 y 24 millones en 2015 (IEA 2017). La cantidad de vehículos comerciales que utilizarán pilas de combustible depende mucho del peso futuro que se le dé a los trenes para el transporte de larga distancia. Supondremos que este número será solo el 10% del número de vehículos comerciales ligeros y camiones, porque con este porcentaje el 59% de las reservas de Pt deberían ser utilizadas en los electrodos de la celda de combustible. La demanda mundial de platino ha superado el suministro en las últimas décadas y se espera que ello empeore con el despliegue de vehículos con pilas de combustible, ya que las pilas de combustible de hidrógeno son las más avanzadas y utilizadas en este sector, y requieren platino como catalizador (Yang 2009). Se está investigando el uso directo de otros combustibles, como el metano, para las pilas, pero es incierto si ello será alguna vez económico. Actualmente, la mayoría de los motores de pila de combustible de metano incluyen un reformador que extrae hidrógeno del metano y luego utiliza una pila de combustible de hidrógeno (Borman 2015).
Se ha observado que el paladio mezclado con una pequeña cantidad de platino (alrededor del 5%) tiene un rendimiento similar al del platino puro como catalizador de pila de combustible, y en algunos aspectos es incluso ventajoso, pues disminuye el riesgo de envenenamiento por CO (Antolini 2009 ; Antolini 2011; Walsh 2005). El paladio es unas 50 veces más abundante que Pt, y en la actualidad también es más barato. Actualmente se están estudiando varias otras tecnologías de catalizadores alternativos que no contienen platino (ver Shui et al., 2015; Karim y Kamarudin 2013; Othman et al., 2012), que generan esperanzas sólidas de encontrar alternativas al Pt durante la próxima década.
Las baterías de ión-litio tienen la mayor densidad de energía y, por ello son las más utilizadas en los automóviles eléctricos en la actualidad. Tomando las capacidades y potencias típicas de las baterías de estas tres clases de vehículos (Tabla B.1) y la densidad del metal utilizado en sus respectivos motores (Tabla B.2), la cantidad de litio (Li) que dicha flota requeriría sería 9.1 Mt. Otras baterías muy usadas en el mercado de vehículos eléctricos son las de níquel Na-NiCl2 (“Zebra”). Si estas baterías se usaran para renovar la flota mundial, se usarían 75 Mt de níquel. Estas cifras representan el 65% y el 96% de las reservas actuales de Li y Ni, respectivamente. Si se usara el 50% de las baterías de Li y el 50% de las baterías de Ni, se usarían el 33% y el 48% de las actuales reservas de Li y Ni, respectivamente. Los vehículos eléctricos serán necesarios, pero dado que las reservas no pueden expandirse indefinidamente, la cantidad de vehículos que una futura sociedad post-carbono podría sostener es aproximadamente la cantidad que tenemos actualmente. Un número mayor probablemente pondría en peligro la disponibilidad de Li y Ni para otras demandas económicas.
El estudio de García-Olivares (2015) sobre la demanda de electricidad, biomasa, carbón, biogás y metales en una economía industrial 100% renovable concluyó que, debido a lo cerca que estamos de los límites de varios metales importantes, sería prudente una reducción de la flota actual de automóviles de aproximadamente un 50%.
Clase de Vehículo
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Número en 2015
(millones)
|
Potencia
(KW)
|
Capacitdad batería
(KWh)
|
Precio típico
(USD)
|
Ligeros
|
1117*
|
60
|
22.4
|
22000
|
Camiones de carga media‡
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32♦
|
179
|
120
|
100,000
|
Camiones de alta carga†
|
24♦
|
339
|
700‽
|
284,000♣
|
Motos y triciclos
|
669*
|
3.6
|
1.2
|
5500
|
Table B.1. Clases de vehículos (columna 1), número global en 2015 (columna 2), potencia máxima típica de su batería si fuera eléctrica (columna 3), capacidad de la batería (columna 4) y precio típico de la versión eléctrica.
* De IEA (2016). El número incluye 130 millones de vehículos comerciales ligeros (IEA 2017). ‡ Camiones de 7.5 a 16 toneladas. El camión eléctrico de referencia es EMOSS EMS 10 con 10 Tm de peso bruto del vehículo (Emoss 2017).♦ De IEA (2017). † Camiones de más de 16 Tm. ♣Dos veces el precio de la unidad tractora Volvo D13 EcoTor con 455 HP (General Truck Sales 2017) . ‽ Máxima capacidad de batería de un vehículo eléctrico en 2017 (Phys Org 2017); El número se da como referencia pero no es utilizado en nuestros cálculos.
Metal
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Densidad
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Reservas (106 t)
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Cobre
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0.73 kg/kW
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720
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Litio
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0.3 kg/kWh
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14
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Niquel
|
2.5 kg/kWh
|
79
|
Platino
|
0.004 kg/kW
|
0.015 (0.07a)
|
a Reservas de los metals del grupo del Pt (Pt, Pa, Rh, Ru, Ir, Os).
Table B.2. Valores usados para la estimación de los metales demandados por el sistema de transporte. Densidad alude a la masa de metal usada por unidad de potencia, o por unidad de energía almacenada, en motor, batería o pila de combustible, según el caso. Los parámetros usados fueron discutidos en García-Olivares et al. (2012). Las reservas fueron estimadas por el US Geological Survey (2016).
Una segunda razón para reducir el tamaño de la flota de automóviles se basa en los problemas que causa en la vida urbana. Algunos autores que abogan por un modelo de movilidad saludable y eficiente en las ciudades han advertido que el coche eléctrico no reducirá la gran cantidad de accidentes, ocupación abusiva del espacio urbano, congestión vehicular y estilo de vida sedentario que conlleva el dominio del automóvil privado (Marqués 2016 ).
Una tercera razón es la eficiencia energética. La gasolina y el diésel tienen una densidad energética de aproximadamente 12 kW-h por kg (10 kw-h por litro), mientras que las baterías de litio utilizadas en los vehículos eléctricos (incluidas las modernas baterías Tesla) rondan los 0,5 kw-h por kg. Eso significa que almacenar la energía contenida en cualquier tanque de combustible, digamos, de 50 litros (con un contenido aproximado de energía de 500 kw-h) requeriría 141 kWh de electricidad (hemos utilizado la relación de eficiencias dada en la Tabla 2 para la combustión interna y motores de batería), o una batería que pesa 281 kg. Incluso teniendo en cuenta las mejoras futuras, la mayor parte de la potencia del vehículo se desperdiciará al transportar 1000 o 2000 kg de materiales para el transporte de una o dos personas y, en este sentido, un vehículo eléctrico (EV) no hace ninguna diferencia en relación a uno de gasolina (Marqués, 2016).
Una tercera razón es la eficiencia energética. La gasolina y el diésel tienen una densidad energética de aproximadamente 12 kW-h por kg (10 kw-h por litro), mientras que las baterías de litio utilizadas en los vehículos eléctricos (incluidas las modernas baterías Tesla) rondan los 0,5 kw-h por kg. Eso significa que almacenar la energía contenida en cualquier tanque de combustible, digamos, de 50 litros (con un contenido aproximado de energía de 500 kw-h) requeriría 141 kWh de electricidad (hemos utilizado la relación de eficiencias dada en la Tabla 2 para la combustión interna y motores de batería), o una batería que pesa 281 kg. Incluso teniendo en cuenta las mejoras futuras, la mayor parte de la potencia del vehículo se desperdiciará al transportar 1000 o 2000 kg de materiales para el transporte de una o dos personas y, en este sentido, un vehículo eléctrico (EV) no hace ninguna diferencia en relación a uno de gasolina (Marqués, 2016).
Es cierto que un vehículo eléctrico, considerado individualmente, es más limpio en emisiones de CO2 que uno convencional. Van Mierlo et al. (2017: Transportation Research Procedia 25, p. 3435-3445) concluyen que la emisión de CO2 originado en el ciclo de vida completo de un vehículo de batería depende mucho del mix que se utilice para producir la electricidad que consumirá. Si ésta se produce a base de centrales de carbón, las emisiones son similares a las del ciclo de vida de un diésel; si se produce con el mix belga, las emisiones son la quinta parte que un diésel; y si la electricidad se produjera exclusivamente con eólica, que es muy poco emisora de CO2, la emisión integrada sería unas 100 veces menores que las de un vehículo diésel.
Tabla B.3
Lo que esto indica es que si el origen de la electricidad usada por el vehículo de batería es renovable, éste es mucho más limpio que uno convencional. En efecto, en ese caso, las emisiones derivadas de la minería de los metales necesarios para construir la batería no son muy diferentes de los generados en la prospección y extracción de todo el combustible que el coche convencional utilizará a lo largo de su vida; las emisiones derivadas del refino, y transporte a gasolineras del combustible serán mucho mayores en el caso del coche convencional que en el caso del transporte de electricidad; y las emisiones derivadas del consumo (de combustible versus electricidad) durante los años de uso del coche serán de nuevo mucho mayores en el coche convencional que en el eléctrico. Todo esto genera ese factor 1 a 100 en favor del vehículo de batería.
Sin embargo, un parque móvil eléctrico pero del tamaño del actual presionaría enormemente sobre la disponibilidad y los precios de varios metales importantes, tal como comentamos.
Los sistemas de transporte público y los vehículos ligeros son alternativas que podrían eludir la mayoría de las desventajas mencionadas. Paralelamente, se podrían fomentar los autos eléctricos compartidos a fin de limitar el número de automóviles privados en las ciudades grandes. El intercambio de automóviles aumenta la ocupación media de cada vehículo y reduce el tiempo de inactividad, que para un automóvil privado promedio representa el 90-95% de su uso diario. Prettenhaler y Steininger (1999) estimaron que el 69% de los hogares que poseen un automóvil (681 millones de hogares si utilizamos los datos de la Tabla B.1) se beneficiarían económicamente de cambiar a un sistema de automóvil compartido.
Este sistema podría combinarse con la automatización de vehículos eléctricos para la movilidad y la distribución de mercancías. El sistema ha sido probado en varios entornos urbanos de Europa en el marco del proyecto europeo CityMobil2 con resultados prometedores (Alessandrini et al., 2015).
Otras medidas para desarrollar un sistema de transporte sostenible y más eficiente en energía en las ciudades futuras incluirían (i) reducir la demanda de transporte, (ii) cambiar los modos de transporte (de alta a baja intensidad energética), (iii) mejorar la eficiencia energética a través del desarrollo tecnológico (Teske et al., 2015) y (iv) el aumento de la población residencial en los centros urbanos para aumentar el número de peatones caminando hacia y desde el trabajo, las compras, etc. (Yarwood 2017).
El IPCC-AR5 (2014) también ha propuesto un conjunto de tecnologías y prácticas de transporte con potencial para la descarbonización a corto y largo plazo y la transición a un sistema de transporte 100% renovable, en particular: (i) Cambio modal con transporte público, andar en bicicleta y caminar desplazando el uso privado de vehículos de motor; (ii) Planificación urbana que reduzca las distancias dentro de las áreas urbanas; (iii) Planificación urbana para reducir el uso privado de vehículos motorizados a través del estacionamiento y la restricción del tránsito; (iv) cambio modal que reduzca el uso de aeronaves y de vehículos ligeros (LDV) en favor de alternativas ferroviarias de alta velocidad; (v) Desplazamiento modal de mercancías desplazando el uso de vehículos pesados (HDV) en favor de los ferrocarriles.
El IPCC-AR5 (2014) también ha propuesto un conjunto de tecnologías y prácticas de transporte con potencial para la descarbonización a corto y largo plazo y la transición a un sistema de transporte 100% renovable, en particular: (i) Cambio modal con transporte público, andar en bicicleta y caminar desplazando el uso privado de vehículos de motor; (ii) Planificación urbana que reduzca las distancias dentro de las áreas urbanas; (iii) Planificación urbana para reducir el uso privado de vehículos motorizados a través del estacionamiento y la restricción del tránsito; (iv) cambio modal que reduzca el uso de aeronaves y de vehículos ligeros (LDV) en favor de alternativas ferroviarias de alta velocidad; (v) Desplazamiento modal de mercancías desplazando el uso de vehículos pesados (HDV) en favor de los ferrocarriles.
2.2 Vehículos eléctricos ligeros y transporte público para la movilidad urbana
La flota actual de rickshaws, motos y scooters podría ser reemplazada por una flota similar de rickshaws eléctricos, motos eléctricas, scooters eléctricos y cuadriciclos eléctricos propulsados por baterías recargables. Estos vehículos livianos son más eficientes energéticamente que los autos de baja ocupación en kWh por pasajero-km (Teske et al. 2015) (Tabla B.4) y también requieren menos níquel y litio en sus baterías, más pequeñas.
Los patines eléctricos, monociclos y hoverboards también son nuevas tecnologías que pueden ser útiles para el transporte personal en las ciudades. Las bicicletas eléctricas, mini-autos eléctricos, patines eléctricos, monociclos, aeropatines y pedelecs, comparten una serie de características como bajo peso y potencia (en comparación con un automóvil convencional), baja velocidad y tamaño pequeño. Esto los hace esencialmente diferentes del modelo "coche eléctrico" como un sustituto del automóvil de gasolina convencional. En cambio, tienen la capacidad de explotar todo el potencial de las tecnologías emergentes en el campo de los nuevos materiales (ligeros y resistentes), motores eléctricos miniaturizados, baterías, etc., sin enfrentar los problemas insolubles que obstaculizan los intentos de replicar, con electricidad, el rendimiento de un automóvil de gasolina convencional. Por lo tanto, estos nuevos vehículos de transporte urbano eléctricos, ligeros y personales podrían crear un nicho propio en un nuevo tipo de movilidad, principalmente para las áreas urbanas, que se sume a los sistemas de bicicletas y automóviles compartidos (Marqués, 2016). En este sentido, la aparición de nuevos tipos de vehículos eléctricos debería ir acompañada de cambios en los planes normativos y urbanos que ayuden a extenderse a los modos más apropiados.
Los sistemas de uso compartido de bicicletas también se están implementando en muchas ciudades del mundo (400 sistemas en operación en Europa en 2012 (ECF 2017)) y se utilizan como un medio de transporte regular para personas que viven en la ciudad. Sin embargo, estos sistemas de intercambio también deben ser apoyados por políticas activas de las autoridades locales (ciudades), regionales y nacionales para poder tener un impacto amplio en los hábitos de los ciudadanos en detrimento del uso de vehículos basados en combustibles fósiles.
El transporte público con sistemas conectados a la red incluye sistemas basados en la catenaria como el tren ligero, el metro, el tren de cercanías y el trolebús (Thomas 2016). Estos son los sistemas de transporte más energéticamente económicos, con consumos de aproximadamente 3.5, 4, 4.8 y 4.8 kWh por cada 100 kilómetros por pasajero, respectivamente (Teske et al., 2015, Fig. 12.14). Otros sistemas económicos según el informe anterior son bicicletas eléctricas (1 kWh), e-scooters (2.5 kWh), e-rickshaw (4 kWh) y e-motos (4.8 kWh). Los autos eléctricos tienen una eficiencia aceptable con alta ocupación (4-6.5 kWh) pero poca eficiencia con baja ocupación (8.4-11 kWh). Todas estas cifras citadas tienen unidades de kWh por cada 100 kilómetros por pasajero. Scooters, rickshaws y motos tienen una eficiencia similar, pero, al contrario de los sistemas basados en catenaria, requieren metales raros para la fabricación de sus baterías (Tabla B.4).
Tabla B.4
El tránsito rápido en autobús (BRT) es un sistema conocido que podría adaptarse a los autobuses eléctricos en futuros esquemas de diseño urbano (Figueroa et al., 2015).
Los teleféricos y las cabinas elevadas eléctricas son otras tecnologías que podrían ser útiles en una futura economía de RE 100%. Uno de estos últimos es el sistema de transporte automatizado Nonstop Elevated (SANE) impulsado por energía solar, un nuevo sistema actualmente en fase de prototipo (Swenson, 2016). El sistema es similar a una red urbana de trenes / tranvías, pero con la ventaja de que la estructura de soporte genera electricidad para los motores de cabina elevados con la ayuda de paneles fotovoltaicos que pueden producir hasta 1 MW por milla de línea.
Los teleféricos y las cabinas elevadas eléctricas son otras tecnologías que podrían ser útiles en una futura economía de RE 100%. Uno de estos últimos es el sistema de transporte automatizado Nonstop Elevated (SANE) impulsado por energía solar, un nuevo sistema actualmente en fase de prototipo (Swenson, 2016). El sistema es similar a una red urbana de trenes / tranvías, pero con la ventaja de que la estructura de soporte genera electricidad para los motores de cabina elevados con la ayuda de paneles fotovoltaicos que pueden producir hasta 1 MW por milla de línea.
2.3 Transporte metropolitano y regional
En las megaciudades y áreas metropolitanas, un cambio modular de sistemas de transporte privado a otros públicos alimentados por electricidad renovable sería técnicamente posible en unas décadas. Gilbert y Perl (2010) predicen una posible continuación del nivel actual del movimiento de mercancías entre las ciudades, pero en mucha más proporción por ferrocarril que por carretera y un mayor uso de trenes, metro y trolebuses para el transporte de pasajeros municipal e interurbano. Los vehículos conectados a la red (GCV) son más eficientes que los vehículos eléctricos de batería (BEV) (un 95% en comparación con el 80% de los BEV) (Gagnon 2008) y deberían ser la primera opción en la planificación de transporte en el futuro.
El transporte terrestre a larga distancia podría beneficiarse de un cambio masivo de camiones a trenes eléctricos (para carga) y de automóviles a transporte público (para pasajeros). En particular, un tren puede transportar aproximadamente 8 veces más personas por MW que un automóvil (García-Olivares 2016). Los trenes y trolebuses podrían alimentarse a través de sistemas de suministro de energía por cable aéreo o a través de sistemas de suministro de energía a nivel del suelo, como el sistema APS utilizado para el transporte público en Burdeos (Francia) (King et al., 2015). Los sistemas de catenaria también están siendo probados actualmente para camiones en carreteras (Edelstein 2016 b).
Si hay disponible una amplia red de suministro eléctrico para camiones, autobuses o automóviles (de catenaria o desde suelo), la energía de la batería podría usarse sólo para cambiar entre líneas diferentes de catenaria y para la "última milla" hasta el destino. Esto permitiría minimizar el tamaño de las baterías, ya que pueden recargarse durante el viaje en las carreteras principales, donde estaría disponible la alimentación desde red eléctrica.
La levitación magnética también ha sido propuesta como un sistema de transporte de alta velocidad entre ciudades. El problema principal es la complejidad y el precio de la tecnología. El Maglev del aeropuerto de Pudong a Shanghai costó alrededor de $ 44 millones por kilómetro (Transrapid 2007). Es difícil creer que tal sistema pueda ser una alternativa viable y escalable para los países no desarrollados.
Además de los trenes eléctricos, otras tecnologías se encuentran actualmente en fases de prototipo o están empezando a comercializarse:
1. Autobuses con batería: los autobuses eléctricos actualmente en fase de prototipo (como el diseñado por Proterra, 2017) tienen una capacidad de carga similar a los autobuses de gasoil y un rango similar (600 km). Su despliegue podría despegar en cualquier momento si se construyera una infraestructura mínima para la recarga eléctrica a lo largo de las carreteras.
2. Camiones eléctricos: camiones como el eTruck urbano de Mercedes con un peso admisible de 26 Tm y baterías de ión-litio con autonomía de 200 km (Edelstein 2016 b) están actualmente en desarrollo. Tesla ha desarrollado recientemente una cabeza tractora inter-urbana de entre 400 y 800 km de autonomía (el Tesla Semi), que es capaz de arrastrar un tráiler de 36000 kg.
3. Sistema RUF: Otra propuesta que podría usarse en una futura economía 100% RE es el sistema de transporte "Rapid Urban Flexible" (RUF) (RUF 2017). Se basa en una red de raíles-guía entre ciudades y áreas metropolitanas. Los vehículos son conducidos manualmente durante unos pocos kilómetros en carreteras ordinarias hasta llegar al sistema de railes-guía. Allí los vehículos ingresan a la guía donde son ensamblados para formar trenes. El tren de automóviles es alimentado con la red eléctrica. Se podrían integrar paneles solares y molinos eólicos medianos en el sistema de monorrieles para auto-producir una parte de la electricidad necesaria. Entre ciudades, los conductores pueden relajarse hasta que se acercan a sus destinos, donde vuelven a tomar el control y conducen manualmente hasta el destino final.
4. El proyecto Tracked Electric Vehicle (TEV) está desarrollando otra propuesta similar (TEV 2017). Se basa en una idea del inventor Will Jones, que busca construir autopistas especiales en las que los automóviles no solo se puedan recargar mientras se conducen, sino que también se podrían conducir de manera autónoma (si el sistema de navegación se incorporó al vehículo). Estas carreteras evitarían congestiones de tráfico al permitir que los automóviles viajen en trenes de vehículos. Los autos se recargarían durante el viaje mediante un sistema eléctrico tipo Scalextric, o "twin rail", instalado en el centro del carril. Una parte de la electricidad consumida podría provenir de paneles solares colocados en o sobre la carretera.
Los dos últimos sistemas exigirían una red internacional de carreteras electrificadas con todos los países utilizando los mismos estándares de diseño. El sistema TEV es probablemente más simple ya que no requiere grandes cambios en el diseño habitual de los automóviles; pero el sistema RUF es relativamente más seguro ya que hace que un accidente por pérdida de adherencia sea prácticamente imposible.
Este tipo de sistemas racionalizaría el tráfico privado en áreas metropolitanas y casi eliminaría las víctimas de accidentes de tráfico.
Muchos de estos nuevos tipos de infraestructura podrían requerir una fuerte intervención política, especialmente cuando se oponen a la inercia de mercado e institucional, derechos de servidumbre, etc.
2.4 Reducción de la demanda
El IPCC (IPCC-AR5 2014) sugiere tres estrategias para reducir la futura demanda de transporte en un mundo de población creciente. Su objetivo es disminuir lo antes posible las emisiones de CO2, pero también se facilitaría la implantación de un modelo de transporte más sostenible:
-Primero, el número de viajes debería reducirse, y ello puede lograrse mediante el uso de tecnologías de la información y la comunicación. Existen barreras asociadas con diferentes capacidades de banda en diferentes regiones, pero se podrían estimular las inversiones para mejorar la calidad de los sistemas de videoconferencia y el trabajo remoto (Golob y Regan 2001, Choo et al., 2005, Wang and Law 2007, Yi y Thomas 2007; Zhen et al., 2009; Salter et al., 2011; Mokhtarian y Meenakshisundaram, 2002).
-En segundo lugar, hay que fomentar cambios de comportamiento. Esto implica reducir el uso privado de vehículos de motor a través de políticas de precios, por ejemplo, tarifas de carreteras y tarifas de estacionamiento. Aunque, inicialmente, dichos cambios pueden ser impopulares, brindarán oportunidades para mostrar beneficios potenciales, como un transporte de mejor calidad, en costes, reducción de tráfico, mejor estacionamiento, y creación de nuevas infraestructuras (Litman 2005, 2006; Salter et al . 2011; Creutzig et al., 2012).
- En tercer lugar, fomentar el cambio de comportamiento mediante la educación sobre los beneficios de un menor uso de vehículos de motor. Esto puede tener un impacto inmediato de 10 a 15% de reducción en el uso del Vehículo Ligero. A largo plazo, esto producirá reducciones de emisiones significativas solo cuando haya transporte de calidad alternativo disponibles (Pandey 2006, Goodwin y Lyons 2010, Taylor y Philp 2010; Ashton-Graham et al., 2011; Höjer et al., 2011; Salter et al., 2011).
El surgimiento de un nuevo modelo de "Transporte como servicio" (TaaS) (Arbib y Seba 2017) también puede contribuir a una reducción significativa de la demanda de vehículos privados. Se espera que este nuevo modelo de movilidad urbana crezca notablemente en las próximas décadas, al menos en los países occidentales, debido a la menor asequibilidad de los automóviles privados para las clases medias y la necesidad de reducir el número de vehículos privados en las grandes ciudades.
2.5 Transporte marítimo
Los biocombustibles, el gas natural y el hidrógeno, obtenidos a partir de fuentes renovables, podrían ser combustibles adecuados para la propulsión de buques (Royal Academy of Engineering 2013). Los biocombustibles procedentes de cultivos alimentarios compiten directamente con la agricultura por los suelos y, por lo tanto, a largo plazo pueden crear más problemas de los que resuelven. El etanol celulósico también es problemático ya que tiende a extraer nutrientes de los suelos de los cultivos (Blanco-Canqui y Lal 2007; Lal y Pimentel 2007) y, en una economía post- carbono, competirá con las olefinas y la producción de metano para utilizar los residuos agrícolas (García-Olivares 2015). Los biocombustibles a partir de algas podrían desarrollarse en los próximos 10 años, pero primero deben superar una serie de obstáculos no resueltos que hacen que su futuro sea incierto (Hannon et al., 2010).
El uso de hidrógeno en la propulsión de buques es tecnológicamente factible, pero requeriría un despliegue importante de infraestructuras de hidrógeno para la producción, almacenamiento, transporte y servicios portuarios por las que, actualmente, no se ha apostado.
El gas natural podría obtenerse de forma sostenible a partir de la fermentación de residuos agrícolas y urbanos y combinando H2 electrolítico con CO2 en el proceso de Sabatier. En una economía post-carbono, el primer proceso también será la fuente de metano necesario para la producción de amoníaco, al menos durante la necesaria transición a una agricultura completamente orgánica. Por lo tanto, el segundo proceso sería preferible a largo plazo. Puede alcanzar eficiencias del 55-56% si se reutilizaran el calor producido en la reacción y el CO2 emitido en otros procesos industriales (Gotz et al., 2016; Enea, 2016). Las turbinas de gas son una tecnología de propulsión comprobada que podría usarse en el transporte marítimo (Royal Academy of Engineering 2013). Alternativamente, las pilas de combustible de óxido sólido y carbonato fundido a alta temperatura están en desarrollo actualmente y son las más prometedoras para la propulsión de buques. Estos dos tipos de pilas de combustible pueden teóricamente usar metano y podrían funcionar en algunas décadas (Royal Academy of Engineering 2013). Una economía de biogás requeriría menos cambios que una economía de hidrógeno en los sectores marinos y de aviación y tendría menos riesgos de seguridad.
Los nuevos sistemas de tracción eólicos, como las velas de nueva generación y los rotores Flettner, también pueden ser útiles para reemplazar una fracción del combustible de los motores utilizados en la navegación (Mofor et al., 2015; Teske et al., 2015). La eficiencia de los rotores Flettner es actualmente deficiente y su mejora futura es incierta. Sin embargo, una tecnología prometedora es SkySails (2017), un sistema de cometas de remolque automatizado que puede reemplazar hasta 7 MW de potencia de propulsión del motor principal de un barco. El sistema tiene un rendimiento superior a las velas porque usa la energía eólica que fluye a unos cientos de metros de altura, que es mayor.
2.6 Transporte aéreo
Es probable que una economía post-carbono no pueda sostener un número tan alto de vuelos intercontinentales como los que se producen hoy en día. Tal decrecimiento podría ser rápido debido al declive económico o porque no surja un sustituto razonable para la actual aviación impulsada por petróleo (Gilbert y Perl 2010). Esta predicción concuerda con las conclusiones de García-Olivares (2015): el costo energético de un futuro sector de la aviación de tamaño comparable al de 2005 sería 2,1 veces mayor que el costo actual, lo que probablemente aumentará aún más el precio del transporte aéreo. Esto contrasta con la utilidad relativamente baja aportada por este modo de transporte: 0,7% del flete mundial (a comparar con el 81,5% por barco, 9% por ferrocarril y 8,8% por carretera) y 10,6% del transporte mundial de pasajeros (a comparar con el 82.7% por carretera, 6.3% por tren y 0.3% por barco) (Railway Handbook 2015). En este contexto, es probable una futura contracción en el número de pasajeros-km transportados por aire.
En cuanto a las tendencias tecnológicas para la próxima década, existe la posibilidad de que se desarrollen aviones alimentados por energía solar, que se sumarían a los aviones pequeños actuales que son apropiados para cargas pequeñas y bajo volumen de pasajeros (Abbe y Smith 2016). Sin embargo, los aviones a reacción contemporáneos no tienen sustituto eléctrico con las tecnologías conocidas. La única alternativa renovable adecuada serían los aviones a reacción impulsados por biocombustibles, hidrógeno líquido o metano líquido (Daggett et al., 2007), que se obtendrían de la electricidad y los biodigestores. Los biocombustibles para aviación podrían usarse directamente en los motores de los aviones existentes con solo modificaciones menores, evitando así la construcción de una nueva infraestructura aeroportuaria para el almacenamiento de combustible. Sin embargo, si el biocombustible de aviación se produce a partir del metano mediante el proceso de Fischer-Tropsch, la eficiencia energética del proceso es de aproximadamente 0,59 (Elgowainy et al., 2012, Figura 13). Combinando esta eficiencia con la eficiencia del proceso de electricidad a gas (0.4, ver Tabla 2), el resultado es una eficiencia de 0.24 para el proceso de generación de electricidad a combustible de aviación. Perder el 60% del suministro de energía renovable, en lugar del 76%, para producir combustible para aviones puede marcar la diferencia en una economía con dificultades para aumentar su producción de energía primaria. Por esta razón, el escenario que asumimos en nuestro cálculo es que, a largo plazo, la infraestructura de los aeropuertos se irá remodelando para almacenar y usar metano líquido como combustible de las futuras aeronaves.
Qué aspecto podría tener un transporte 100% renovable
A la luz de la revisión de tecnologías disponibles realizado en esta primera parte del artículo, y de los cálculos de costes energéticos y límites materiales realizado en la segunda parte, se pueden extraer algunas conclusiones sobre el aspecto que podría tener el transporte en una futura economía 100% renovable. El que podamos llegar a tal economía es por supuesto algo bastante incierto que, como he discutido en otras publicaciones, derivan en mi opinión de las siguientes fuentes de incertidumbre:
- El vigente sistema económico capitalista se basa en una actitud micro-social, artificialmente hiper-valorada, que es la búsqueda del beneficio. Esta actitud, y la competencia de mercado, producen un efecto macrosocial que es el crecimiento permanente de la actividad económica. Ese crecimiento, unido a que la desmaterialización absoluta de la economía no se observa, implica una demanda creciente de recursos, que acabará colisionando con el tamaño finito de las reservas de metales importantes, tales como el cobre, el litio, el níquel y el platino, imprescindibles en la transición hacia una economía 100% renovable. En este sentido, el actual capitalismo es incompatible con una economía 100% renovable sostenible a largo plazo.
- La dinámica del crecimiento capitalista chocará en pocas décadas con otros límites ambientales. (i) El cénit de los líquidos del petróleo se espera tenga lugar en unos pocos años. (ii) El cénit de todos los combustibles fósiles se espera para antes del 2030. (iii) La crisis climática es probable que reduzca la productividad de los principales granos mundiales entre un 20 y un 40% para final de siglo según el IPCC. (iv) En las últimas décadas, la productividad de los cereales muestra una tendencia a saturarse en unas 7-8 t/ha por más fertilizante que les echamos, mientras la población mundial sigue creciendo, y llegará a 9700 millones en 2050. El cénit del fósforo fósil se espera para la década de 2040-2050, de modo que esa productividad es difícil que aumente. La agricultura intensiva capitalista produce una gran degradación de los suelos, y unos 10 millones de Ha de tierra son abandonadas cada año por esa causa. Las Ha de tierra cultivable por persona no dejan de disminuir, y están ahora, según el Banco Mundial, en unas 0,19 Ha, o sea, un cuadrado de 44 x 44 m para alimentar a cada persona (aunque las diferencias entre el mundo desarrollado y el otro son enormes en lo que utiliza cada persona). Es cuestión de tiempo que los precios de los alimentos empiecen a subir globalmente. Además, los monocultivos agrícolas son frágiles ante las plagas y ante las perturbaciones climáticas, y cualquier declive repentino de sus productividades podría provocar hambrunas globales. (v) Hay ya 1.700 millones de personas que viven de acuíferos que están declinando (Gleeson et al. 2012). Es cuestión de tiempo que se produzcan grandes crisis humanitarias por escasez de agua. (vi) La pérdida de biodiversidad, la contaminación creciente por nitratos, y el cambio climático están volviendo a los ecosistemas muy frágiles, y algunos autores predicen puntos de no-retorno en los mismos entre 2025 y 2045, con “sorpresas biológicas locales y globales” (Barnosky et al. 2012). Todas estas crisis probables tienden a converger entre 2030 y 2050, y los recursos que serán necesarios para hacerles frente pueden dificultar enormemente las inversiones necesarias para realizar la necesaria transición fuera de los combustibles fósiles.
- Aún si consiguiéramos esquivar las amenazas anteriores, una economía 100% renovable sólo sería sostenible a largo plazo si conseguimos convertir el actual capitalismo del crecimiento en una economía post-capitalista, estacionaria, muy regulada, controlada democráticamente, y capaz de crear prosperidad sin crecimiento (http://crashoil.blogspot.com.es/2014/03/mas-alla-del-capitalismo.html ). Esto supone importantes retos políticos, y amplias movilizaciones sociales de resultado incierto.
Supongamos que consiguiéramos superar esos enormes retos. En ese caso, una economía 100% renovable sería técnicamente factible, pero exigiría una reestructuración masiva de los principales sectores económicos, entre ellos el transporte.
Para economizar energía y materiales gastados en transporte, en una economía donde éstos no serían abundantes, lo más eficaz sería la sustitución de la mayor parte del transporte terrestre interurbano actual, que se basa en camiones y automóviles privados, por trenes eléctricos para carga y para pasajeros. En general, los vehículos con baterías o pilas de combustible deberían ser concebidos como auxiliares de los sistemas principales de transporte, que serían los conectados a la red eléctrica.
El uso de camiones debería restringirse al transporte de mercancías entre ciudades y poblaciones pequeñas que no tienen conexión por tren. Al menos el 90% de estos camiones deberían ser eléctricos y sólo un 10%, los de alta potencia y autonomía, usarían pilas de combustible.
Mediante leyes, el uso de vehículos eléctricos privados debería permitirse solamente para el transporte de pasajeros a corta distancia entre ciudades sin alternativa de transporte público.
El tamaño actual de la flota de vehículos es de 990 M coches, 130 M furgonetas, 56 M camiones, y 670 M de motos y triciclos (“M” = “millones”). La conversión de esa flota en un número igual de vehículos eléctricos exigiría utilizar un 33% de Li, un 48% de Ni, y un 59% de Pt. Ello es técnicamente factible, pero enormemente imprudente, pues podría provocar un enorme incremento de precios de esos metales y poner en peligro la demanda de esos metales para otros usos industriales.
El principio de precaución exigiría disminuir el tamaño actual de la flota de vehículos privados a la mitad o menos, aumentando los sistemas de coche compartido, que pueden dar un servicio equivalente con entre el 10 y el 30% de los coches actuales.
Para la movilidad urbana se debería crear una red densa de trenes, metro, tranvías, trolebuses y cabinas colgantes, complementada con un servicio de bicicletas compartidas, y un servicio de coches eléctricos compartidos. Los patines eléctricos, monociclos, aerotablas (“hoverboards”), bicicletas ayudadas eléctricamente (“pedelecs”), y motocicletas eléctricas, son sistemas privados de bajo consumo que podrían complementar a los servicios anteriores en las ciudades.
El uso de pilas de combustible debería restringirse a vehículos especiales que exigen alta autonomía y alta potencia a la vez, tales como maquinaria pesada de trabajo en campo abierto, algunos buques (otros se moverían quemando directamente el metano líquido de origen renovable), algunos camiones de alta potencia, coches de policía, de bomberos, ambulancias, y algunos vehículos comerciales. Dada la escasez de las reservas de platino, no parece prudente un número de vehículos de este tipo mayor del 10% de todos los vehículos comerciales.
El tráfico marítimo debería reorganizarse y reducirse, ya que los buques de carga serán los principales consumidores de pilas de combustible de hidrógeno y biogás en el futuro. Como veremos en la Parte 2, el alto consumo energético futuro de este sector induce a pensar en una reducción de su actividad del orden del 50% en una economía 100% renovable.
Las flotas de aviación se reducirían también en torno a un 50%, tal como veremos en la Parte 2 de este trabajo, debido a la subida de los precios de los vuelos.
Una disminución del 50% de estos sectores implicaría una reducción del comercio inter-continental de ese mismo orden. Esto implicará cierta relocalización de la economía en áreas comerciales que puedan ser conectadas por tren.
La logística y el trabajo deberían optimizarse para reducir la demanda de viajes.
Una manera eficaz de reducir el tamaño de las baterías de los vehículos privados y su uso de materiales escasos es instalar una toma de corriente de tipo “twin rail” (o “scalextric”) en las principales carreteras del mundo. Por ejemplo, en uno de los carriles de las actuales autopistas.
Los costes de capital y energía de esta y otras infraestructuras necesarias para la transición renovable del transporte serán analizados en la Parte 2 de este trabajo.
Referencias
Las referencias citadas pueden consultarse en el artículo original: García-Olivares A., Solé J., Osychenko O., 2018. Transportation in a 100% renewable energy system. Energy Conversion and Management 158 (2018) 266–285. https://doi.org/10.1016/j.enconman.2017.12.053
