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Aug 14, 2023

Futuras revoluciones energéticas

La semana pasada, discutimos todas las principales revoluciones energéticas en la historia humana. Nosotros vimos

La semana pasada, discutimos todas las principales revoluciones energéticas en la historia humana. Vimos que mejores formas de energía reemplazan a las obsoletas.

Así que parece que casi hemos eliminado la madera y el carbón, pero aún dependemos del petróleo y el gas, ¿verdad?

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UH oh. La verdad es que todavía estamos cerca del pico de consumo de madera, carbón y petróleo, y el consumo de gas se está disparando. Eso es porque, aunque se están reduciendo como parte de la energía consumida, estamos consumiendo mucha más energía.

Sabemos que tenemos que salir de este paradigma lo más rápido posible. Entonces, ¿qué pasará?

Mencionamos en el artículo anterior que todas las fuentes de energía primitivas se reducían al Sol. Pero esto ya no es cierto. Hasta donde sabemos, son fundamentalmente cuatro: el Sol, la Tierra, la Luna y los átomos.

Como hemos visto, la humanidad ha dado grandes pasos cada vez que ha encontrado una nueva forma de aprovechar más energía: la cría de animales, los molinos de agua, las velas, el carbón…

Si queremos que la humanidad pase al siguiente nivel de progreso, debemos aumentar la energía que aprovechamos. La energía es buena. Lo malo es hacerlo de una manera que tiene costos serios. Desafortunadamente, no vamos en la dirección correcta, no solo por el consumo de combustibles fósiles.

Por supuesto, esto coincide exactamente con el Gran Estancamiento de la productividad estadounidense:

La caída de la energía no es el único culpable de la desaceleración de la productividad, pero contribuye.

El uso de energía por persona en el mundo desarrollado solía seguir un patrón exponencial, pero ahora se ha reducido y, en cambio, ha disminuido.

Esto no es bueno en sí mismo: ¡nos gusta la energía! ¡Nos gusta usarlo mucho! Nos calienta cuando tenemos frío, nos refresca cuando tenemos calor, ilumina la oscuridad, enciende nuestras computadoras y nos ayuda a hacer cualquier cosa con la que queramos ayuda.

Lo bueno de un menor consumo de energía por persona es que significa que contaminamos menos. Pero esto nos está obligando a hacer una desafortunada compensación entre el uso de energía y el medio ambiente. Reduce nuestro florecimiento en aras de la sostenibilidad. ¿Qué pasaría si no necesitáramos tal compensación? Esto es lo que el futuro de la energía deberá ofrecer.

El esquema de arriba nos dice nuestras opciones energéticas para lograrlo. Primero, en el lado de la generación de energía:

Solar—termosolar o fotovoltaica

Viento

De marea

Fisión nuclear

Fusión nuclear

Geotermia

De estas, la fotovoltaica parece mejor que la termosolar, la eólica parece tope

Sin embargo, no se trata sólo de las fuentes. Como vimos a principios de esta semana con el valor de la electricidad o los motores de combustión, hay otros aspectos de la energía que son tan importantes como las fuentes. ¿Qué son?

No solo quieres generar energía y usarla. Desea poder transformarlo, almacenarlo y transportarlo de la manera más fácil, económica y limpia posible.

Es 10.000 aC. Tú y tu banda de 20 personas viven cerca de un gran bosque. Quieres construir un montículo.

¡Tienes mucha energía almacenada en estos árboles! ¿Pero puedes aprovecharlo para construir ese montículo? No, porque no tienes forma de transformar la energía del Sol, almacenada químicamente en esos árboles, en poder para mover la tierra. Ni siquiera puedes usar los árboles para alimentar a las personas para que tengan más bebés y el clan crezca y finalmente haya suficiente músculo para construir un montículo. A lo sumo, puede quemar algunos árboles para cocinar alimentos y quemar algunos de ellos para usar la ceniza para fertilizar el suelo. ¡Pero esa es una forma extremadamente ineficiente de transformar árboles en energía utilizable! El músculo podía hacer cosas que la madera no podía.

Por el contrario, la madera podía hacer cosas que el músculo no podía. Cuando estaba oscuro y frío, no podías usar la energía muscular del clan para obtener calor y luz. A lo sumo, todos podrían reunirse para calentarse un poco, pero eso no es muy conveniente y evita que alguien trabaje mucho. La luz era simplemente imposible de obtener del músculo, solo se podía obtener de la madera.

En el pasado, las personas necesitaban una fuente de energía específica para cada tipo de uso. Eso es inconveniente. Entonces, las tecnologías para transformar la energía de una forma a otra fueron muy útiles.

Los animales domesticados fueron una forma temprana de hacerlo, convirtiendo la energía de las plantas en energía, alimentos y transporte flexibles.

Los hornos nos permitieron transformar el calor en procesos industriales.

El motor de combustión nos permitió transformar la energía química almacenada en los combustibles fósiles en energía de transporte.

Podría decirse que el mayor avance fue la máquina de vapor: nos permitió transformar el calor en muchos tipos de transporte y usos de energía. Puede usarlo para impulsar trenes, barcos de vapor o cualquier tipo de máquina.

Esta es también una de las principales razones por las que la electricidad es tan valiosa. No es una fuente o un uso del poder. Es un intermediario. Pero es extremadamente versátil: puede convertir casi cualquier fuente de energía en electricidad y luego puede usar la electricidad para casi todos los casos de uso.

La electricidad también es valiosa por un aspecto casi mágico: nos permite instantáneamente

Como dijimos la semana pasada, la importancia del transporte de energía fue la razón por la cual los árboles tuvieron que colocarse tan cerca de las ciudades, o por qué el carbón tardó tanto en usarse ampliamente para calentar.

También es una de las razones por las que el petróleo reemplazó al carbón: como líquido, es mucho más fácil de transportar a través de oleoductos, algo imposible para el carbón. De manera similar, una de las razones por las que la máquina de combustión es superior a la máquina de vapor es que el aceite puede llenarse en un tanque mucho más fácilmente que introducir carbón en un horno.

Por eso necesitamos que nuestra energía sea fácilmente transformable y transportable. En ambos brilla la electricidad.

¿Qué otra cosa?

El almacenamiento de energía siempre ha sido un problema. Por ejemplo, en el valle del Mississippi del siglo XIX, el maíz se convertía en bourbon o jamón para que no se echara a perder ("para que no se pierda la energía que contiene en forma de alimento"). El whisky también tenía la ventaja de tener más calorías por unidad de peso, por lo que era más transportable. Esto fue valioso cuando el costo del transporte era tan alto, antes de los ferrocarriles.

Sin embargo, si volvemos a nuestros principales tipos de energía, una de las grandes ventajas de la madera y el carbón es lo fácil que es almacenarlos: simplemente colóquelos en algún lugar seco.

El sol y el viento no se pueden almacenar en absoluto, mientras que el agua es el tipo de energía más almacenable: ¡maldita sea!

El petróleo necesita camiones cisterna, y el gas debe congelarse para comprimirse, o conectarse a depósitos enormes y difíciles de manejar. Pero son factibles. Es por eso que los países tienen reservas estratégicas del material, pero solo para unos pocos meses.

La necesidad de almacenamiento está relacionada con la necesidad de disponibilidad. Quieres tu energía cuando necesitas usarla, no en otro momento. Si necesita esperar a que la energía esté disponible, pierde el tiempo. Ha sido la perdición de los marineros o molineros que esperan el viento, de los conductores de automóviles que tienen que ir a la gasolinera para conseguir más gasolina, de los jinetes que tienen que esperar a que los caballos coman y descansen, o de las plantas solares que esperan que salga el sol.

Dado que puede almacenar petróleo y gas, están disponibles siempre que los necesite.

La electricidad es la más complicada. Necesita baterías para conservarse, que son notoriamente difíciles y costosas de construir. Pero al menos la electricidad es almacenable de una manera que no lo son las energías renovables como la eólica y la solar, por lo que las transformamos en electricidad antes de almacenarlas. Sin embargo:

Esta es la famosa Duck Curve, algo con lo que la mayoría de los países tendrán que lidiar tarde o temprano. Básicamente muestra la cantidad de energía necesaria durante las diferentes horas del día en California en primavera, excluyendo la solar y la eólica. Como puede ver, por la noche, California necesita alrededor de 15-20 GW. Pero alrededor de la mitad del día, ha necesitado cada vez menos energía cada año. Tanto es así que ahora, durante las horas pico de generación solar, se genera más energía que la que se consume. Esto es problemático, porque significa que agregar más energía solar no ayuda mucho y que cada nueva instalación de energía solar en realidad reducirá el dinero ganado por los operadores solares existentes. Todo esto se debe a que no podemos almacenar fácilmente la energía solar.

Pero al menos, ya podemos usar baterías para ahorrar energía de la noche a la mañana. Es costoso y perdemos algo, pero podemos hacerlo. Eso nos coloca en una posición similar a la iluminación de gas frente a la iluminación eléctrica: mientras que la electricidad de CC era costosa y tenía pérdidas, no era muy competitiva frente al gas. Pero cuando la electricidad de CA la reemplazó, las pérdidas de electricidad disminuyeron, la iluminación eléctrica se volvió mucho más barata que la iluminación de gas y finalmente la reemplazó.

Desafortunadamente, tenemos un problema mucho mayor para el almacenamiento estacional. Podemos tener todo el Sol que queramos en junio, pero si no tenemos mucho en diciembre, aún necesitaremos otras energías.

¿Qué nos dice esto? Que si queremos una nueva revolución energética, necesitamos una forma muy barata de almacenar electricidad. Esto significa claramente que las baterías deben seguir mejorando rápidamente para el almacenamiento de electricidad durante la noche. Todavía necesitamos almacenamiento estacional barato. Esta será la tecnología clave que desencadenará por completo la combinación de energía solar y electricidad.

Una cosa más que es relevante sobre el almacenamiento es cómo consumimos electricidad.

La calefacción ha bajado y la iluminación representa muy poco de la energía total. Querríamos más electricidad para la energía industrial y, como podemos ver, la energía para el transporte sigue creciendo.

Esto significa que debemos tener en cuenta que es crucial descubrir cómo almacenar energía para el transporte.

Lo que trae a colación otra cuestión, la densidad de energía, relacionada tanto con el almacenamiento como con el transporte de energía.

Dado que es costoso mover la energía, desea que la energía sea lo más densa posible, por lo que unos pocos gramos de algo le brindan mucha energía.

Esta es la razón por la que el queroseno es tan común en la aviación: contiene una tonelada de energía por kilogramo, y cuando estás volando, cada kilogramo importa porque cuesta mucha energía mantener el avión volando. Es por eso que alrededor del 30-45% del peso de un avión es su combustible (fracción de combustible). Es una consideración aún mayor en los cohetes, con una fracción de combustible superior al 90%

Esto importa menos en los automóviles porque solo el 5% o menos del peso del automóvil suele ser combustible. Pero esto no es cierto para los coches eléctricos, cuyas baterías suponen alrededor del 25% del peso del coche.

De hecho, transportar electricidad conectada es fácil y económico con líneas eléctricas. Pero en el momento en que necesitas desatar algo, te encuentras con el problema de la densidad de energía. Esta es la razón por la que los cohetes eléctricos, o incluso los aviones, son hoy en día un sueño imposible: en la mayoría de los casos, las baterías serán demasiado pesadas para llevarlas solas.

Lo que vemos es que las nuevas energías nunca reemplazaron a las antiguas hasta que fueron más baratas:

El carbón no reemplazó a la madera hasta que los costos de transporte se redujeron lo suficiente como para hacerlo más barato.

El carbón tardó muchas décadas en reemplazar al viento, porque el viento era gratis. Se necesitaron muchas otras ventajas para superar esta diferencia de costos. Y solo sucedió cuando la relación costo-beneficio resultó positiva: cuando los comerciantes notaron que la disponibilidad y la flexibilidad de las máquinas de vapor permitían oportunidades comerciales de difícil acceso para los veleros.

La iluminación de gas tomó tiempo para reemplazar las velas porque requería una inversión inicial. Las empresas podían permitírselo y fueron las primeras en hacerlo. Pero primero entró en los hogares más ricos antes de filtrarse.

La iluminación eléctrica no reemplazó la iluminación de gas hasta que la corriente alterna la hizo más barata.

En el momento en que el motor de combustión se hizo más barato que el de vapor, lo reemplazó. No antes.

En otras palabras: podemos temer al cambio climático todo lo que queramos, pero lo único que realmente marcará la diferencia no es la acción pública. Es el coste de la energía que no emite CO2 cayendo por debajo del de los combustibles fósiles.

Curiosamente, también podemos predecir que a partir de ahora, las bombas de calor comenzarán a reemplazar la calefacción de gas. Desafortunadamente, esto requiere cambios en las instalaciones domésticas e industriales. Esto requiere un costo inicial, y eso lo retrasará, de la misma manera que la electricidad tomó tiempo para reemplazar la iluminación de gas porque requirió un nuevo cableado eléctrico en los hogares. Sin embargo, si las fuentes de energía se vuelven aún más baratas, la brecha con la calefacción de gas podría volverse tan grande como para que la inversión sea una obviedad.

Esta es otra cosa que inclina una tecnología contra otra. La iluminación eléctrica es mucho más fácil de manejar que las velas o la quema de gas. Echar carbón a la máquina de vapor es más fácil que manejar velas complejas. Puedes comprar forraje para tu caballo, llevarlo a casa, dárselo cada pocas horas, limpiarlo, cuidarlo, llamar al veterinario... O puedes enchufar la boquilla en el depósito de tu coche.

Aquí tenemos de nuevo un claro ganador: la electricidad.

Por el lado de la generación, la dificultad es una de las principales desventajas de la energía nuclear: es peligrosa, por lo que necesita mucha gestión proactiva, lo que eleva los costos. Mientras tanto, el petróleo es especialmente fácil de manejar, una de las razones por las que está en todas partes.

Si un tipo de energía es barata pero sucia, la gente la consumirá: en la mayoría de los casos, preferirán ahorrar dinero que su salud

Pero a medida que los costos de diferentes energías se vuelven comparables, la limpieza vuelve a ser importante. Las manchas oscuras de la combustión de velas y gas fueron una buena razón para el cambio a la iluminación eléctrica.

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Esto es lo que sabemos:

El consumo de energía se está desacelerando en los países desarrollados. Esto es bueno para el medio ambiente pero malo para el progreso económico. Si queremos que las personas tengan oportunidades ilimitadas, necesitamos aumentar el consumo de energía.

Sin embargo, debemos hacerlo de manera que la Tierra no empeore, sino que mejore. Un mundo con más energía y más sostenibilidad.

Afortunadamente, las tres fuentes de energía en las que podemos confiar no emiten CO2: eólica, solar y nuclear. Necesitamos impulsarlos a todos, pero especialmente al más prometedor (solar) y al más impopular (nuclear).

Ya hemos inventado el intermediario perfecto para la energía: la electricidad. Es barato de transformar y transportar, es fácil de usar y de limpiar. Su principal inconveniente es el almacenamiento.

Desafortunadamente, esta es también una debilidad de las tres fuentes de energía más prometedoras que tenemos. La energía nuclear se puede almacenar, pero es difícil aumentar y disminuir su generación. Mientras tanto, la energía solar y eólica no se pueden almacenar. Esto significa que la oferta y la demanda no pueden satisfacerse fácilmente. La única forma de resolver esto es con un mejor almacenamiento.

Los mayores desajustes entre la oferta y la demanda son los picos y valles diarios de la demanda, en comparación con los picos diarios y estacionales de la energía eólica y solar.

Esto significa que necesitamos absolutamente averiguar el almacenamiento eléctrico durante la noche. Las baterías son nuestra mejor apuesta para eso. Necesitamos que la tecnología progrese lo más rápido posible.

Esto es especialmente cierto para el transporte. Es genial que Tesla esté liderando el camino aquí.

Pero es poco probable que las baterías eléctricas funcionen para barcos y especialmente para aviones. Necesitamos otra forma de almacenar energía para ellos.

Todavía necesitamos una forma de resolver el desajuste de la oferta y la demanda de energía a lo largo de las estaciones

En otras palabras: necesitamos reducir drásticamente el costo de la energía nuclear, la energía solar, el almacenamiento nocturno de electricidad en baterías y el almacenamiento estacional de energía.

Escribiré sobre todos estos, ¡así que estad atentos!

Todavía hay mucha energía eólica disponible, pero no tanta como la solar, y la energía solar se está volviendo más barata que la eólica. La energía eólica potencial total es solo 5 veces el consumo mundial de 2007 según estos documentos: Lu X., McElroy MB y Kiviluoma J.: Potencial global para la electricidad generada por el viento; Archer CL y Jacobson MZ: Evaluación de la energía eólica global. Mientras tanto, la energía solar es 30x. Nos quedaríamos sin energía este siglo si solo tuviéramos viento. Nos llevaría al próximo siglo con energía solar.

Escribiré más sobre todos ellos en el futuro.

En realidad no instantáneamente, pero cerca de la velocidad de la luz.

Solo necesita aumentar su voltaje para reducir sus pérdidas.

Por lo que puedo recopilar en sitios como este o este. ChatGPT y la IA de Edge están de acuerdo.

Siempre y cuando el impacto sea a largo plazo.

Algunas opciones: baterías interestacionales, transmisión global, energía que es tan barata de producir que podemos producirla en exceso para satisfacer cualquier demanda, generación espacial y transmisión a la Tierra, transformar CO2 en metano... Exploraré algunas de estas en el futuro.

Tres de estos son problemas técnicos y el cuarto es social. Los temas técnicos no necesitan mucho apoyo más allá de invertir y trabajar en ellos. El 4º, nuclear, es un tema social y de comunicación que necesita algo más.