La fam energètica està relacionada amb el passat econòmic.

De la mateixa manera que un organisme viu necessita contínuament menjar per mantenir-se, una economia consumeix energia per treballar i per mantenir les coses. Aquest consum comporta, però, el cost de les emissions de gasos d’efecte hivernacle i el canvi climàtic. Com es pot fer servir l'energia per mantenir l'economia viva sense cremar el planeta?

L'actual consum energètic mundial, està lligat a una invariable producció econòmica del passat. La possibilitat de sortir d'aquest ritme creixent  en les emissions de carboni, pot ser que no esdevingui  necessàriament una eficiència energètica, de fet pot ser el contrari.

Com s'aconsegueix una economia en estat estacionari on existeix una producció econòmica creixent sense augmentar les  necessitats energètiques? Es pot sobreviure només  canviant simultàniament la infraestructura fòssil existent a una no fòssil?

Termo-economia

Els fenòmens atmosfèrics, inclosos l'augment del nivell de diòxid de carboni i el canvi climàtic, estan lligats a l'activitat econòmica humana. Com que es modela el sistema terrestre com a sistema físic, seria possible modelar sistemes econòmics d'una manera similar?

No només cal pensar en sistemes econòmics en termes de lleis físiques. De fet, hi ha un camp d’estudi anomenat termo-economia. Així com la termodinàmica descriu com la calor i l’entropia (trastorn) flueixen a través dels sistemes físics, la termo-economia explora com la matèria, l’energia, l’entropia i la informació flueixen a través dels sistemes humans.

Com es correlaciona  el consum d’energia i la producció actual, o el producte interior brut? Si s'adopta un enfocament diferent; el  concepte de sistema econòmic comença amb la idea centenària d’un motor de calor. Un motor de calor consumeix energia a altes temperatures per fer Treball i emet calor. Però només consumeix, no creix.

Llavors, com pensar un motor de calor com un organisme, que utilitza energia per fer Treball i créixer?.

A causa del creixement passat, es necessita una quantitat cada vegada més gran d'energia per mantenir-se. Per als humans, l’energia prové dels aliments. La majoria es destina al sosteniment i una mica al creixement. I des de la infància fins a l’edat adulta, creix la  gana. Es menga més i s'exhaureix una quantitat cada vegada més gran de diòxid de carboni. 

"Hem mirat l'economia en general per veure si es podrien aplicar idees similars per descriure el nostre manteniment i creixement col·lectius", afirma Garrett. Mentre que les societats consumeixen energia per mantenir la vida quotidiana, una petita part de l’energia consumida passa a produir més i a fer créixer la nostra civilització.

El creixement com a símptoma

Per provar aquesta hipòtesi, es  van utilitzar dades econòmiques des del 1980 fins al 2017 per quantificar la relació entre la producció passada econòmica acumulada i la taxa actual a la qual es consumeix energia. Independentment de l'any examinat, es va trobar que per cada US· de milions de US$ de producció econòmica mundial ajustada a la inflació, corresponia a una civilització  que requeria 5,9 GW addicionals de producció d'energia per mantenir-se. En una economia fòssil, que és equivalent a al voltant de 10 plantes elèctriques de carbó, comporta  que cada any al voltant de 1,5 milions de tones de CO2, són  emeses a l'atmosfera. El consum actual d'energia és, doncs, la conseqüència natural de la producció econòmica acumulada anterior.

Llavors:

1.- Millorar la eficiència mitjançant la innovació és un distintiu dels esforços per reduir l’ús d’energia i les emissions de gasos d’efecte hivernacle, l’eficiència té els efectes secundaris de facilitar que la civilització creixi i consumeixi més.

2.- És possible que les taxes actuals de creixement de la població mundial no siguin la causa de l’augment de les taxes de consum d’energia, sinó que és un símptoma dels guanys d’eficiència passats.

Els defensors de l'eficiència energètica per a la mitigació del canvi climàtic poden semblar raonables, però el seu argument només funciona si la civilització es manté en una mida fixa. En canvi, una civilització eficient és capaç de créixer més ràpidament. Pot utilitzar els recursos energètics disponibles amb més eficàcia per aconseguir més coses, incloses les persones. L'expansió de la civilització s'accelera en lloc de disminuir, i també de les seves exigències energètiques i les seves emissions de CO2.

Un futur descarbonitzat en estat constant?

Què signifiquen aquesta conclusió per al futur sobretot pel que fa al canvi climàtic?  Avui dia, no es pot deixar de consumir energia, existeix una inèrcia. Aprofitar el consum d'energia però, la civilització no deixi d'emetre's, resulta inútil.  Però, és possible desfer els avenços econòmics i tecnològics que han portat la civilització fins a aquest moment? 

Cal que l’economia aconsegueixi mantenir-se en estat constant, on l’energia que utilitza es dediqui a mantenir la  civilització i no a expandir-la. L'energia del futur no es pot basar en combustibles fòssils. 

A les taxes de creixement actuals, només per mantenir les emissions de diòxid de carboni al seu nivell actual ràpidament caldrà construir instal·lacions renovables i nuclears, aproximadament una gran central elèctrica al dia. I d'alguna manera s'haurà de fer sense recolzar involuntàriament la producció econòmica, de manera que les demandes de combustibles fòssils també augmentin.

Es un compromís que cal trobar entre eliminar les innovacions anteriors basades en el combustibles fòssils que van accelerar l'expansió de la civilització, amb la innovació de les noves tecnologies de combustibles no fòssils. Tot i que aquesta economia en estat constant es pogués estabilitzar les emissions de CO2, el ritme d’escalfament global s’alentiria, no s’eliminaria. Els nivells atmosfèrics de CO2, encara arribarien al doble del seu nivell preindustrial abans d'equilibrar-se.

Qualsevol forma d’economia o civilització necessita energia per treballar i sobreviure. El truc és equilibrar-ho amb les conseqüències climàtiques. El canvi climàtic i l'escassetat de recursos són els reptes que defineixen aquest segle. No es pot esperar sobreviure en aquesta situació ignorant les lleis físiques.

Font: Universitat de Utah

Reduir el 80% de l'ús d'energia gràcies als sistemes de calor d'energia renovable.

Actualment, Austràlia està estudiant diferents opcions per estimular la recuperació econòmica després del COVID, inclosa la ponderació del valor relatiu de l’augment d’inversions en infraestructures de gas davant els avantatges dels projectes d’energia renovable ampliada.

Un aspecte clau en aquest debat, és l’ús de combustibles fòssils per part de la indústria, donat que  que a curt i mig termini el gas continuarà essent  clau de moltes aplicacions industrials de calor.

Tot i que sembla ser que els combustibles fòssils, mantindran algun paper en la indústria, la recerca realitzada  proposa que el paper del gas es pot reduir en els propers anys. Per això, es desenvolupen tecnologies i estratègies energètiques per oferir alternatives renovables per a aplicacions de gas industrial de manera que,  gràcies a les  innovacions, aviat comercialment seran viables.

Si be és cert que encara hi ha molta feina a fer a tot el món per l'electrificació de la calor, s'està investigant  en com utilitzar les fonts de baix cost renovables per compensar el que el consum de combustibles fòssil.

S'està treballant en un projecte per fer possible que l'energia sigui neta, fiable i assequible de manera que s'està  prototipant un sistema a escala comercial que emmagatzema l'electricitat de les renovables i també el calor sota demanda d'aplicacions industrials.

Fa una any, es va provar amb èxit una versió més petita de la tecnologia, així que s'està segur que funciona, i ara s'està en el procés d'incrementar i perfeccionar les funcions, de manera que ofereixi una solució preparada per a la indústria.

Aquesta investigació demostra que, utilitzada conjuntament amb les fonts renovables com és la solar i la eòlica, aquest sistema podria reduir el consum de gas fins a un 80 % en algunes indústries.

El sistema d’emmagatzematge tèrmic, que es començarà a provar a principis de 2021, inicialment estarà dissenyat per proporcionar calor a l’interval de 200 ºC a 700 ºC, amb l’objectiu d’augmentar aquesta producció en el futur, a més de 1000 ºC.

Les unitats seran autònomes i apilades, cada unitat aportarà 850-1000 kWh en capacitat d’emmagatzematge tèrmic.

Bàsicament, es tracta d'un un contenidor 3 m perquè l'usuari final, sigui capaç de desplegar-los com a mòduls, el mateix que es fa amb les bateries, això permet  un disseny únic i, per tant, per assolir  l'emmagatzematge necessari, només cal apilar contenidors.

Es preveu que el sistema, tot i ser més rendible, no substituiria  completament el gas, però podria reduirà l’ús entre un 60-80 % segon l'aplicació.

Encara serà necessària l’opció de combustible com a back-up per quan la producció de les fonts renovables sigui baixa, ja que a partir de les dades obtingudes, si es vol utilitzar per valors elevats, caldria una enorme quantitat d’emmagatzematge. 

Així doncs, s'ha desenvolupat un enfocament híbrid, on aquest sistema pot proporcionar el 60%, el 70% i el 80% de les necessitats de calor utilitzant renovables i emmagatzematge, de manera que,  la petita deficiència quedarà coberta per combustible, que podria ser un sistema de gas o combustibles renovables com l’hidrogen o el biogàs. 

Com a punt de vista del desenvolupament del sistema de calor, es plantegen altres sistemes industrials híbrids que combinant les línies de base renovables amb una recuperació de combustible siguin econòmicament viables i sostenibles mediambientalment en diverses aplicacions.

Per exemple, les plantes d'aigües residuals, actualment moltes de les quals cullen biogàs creat a través del procés de tractament, i després cremen aquest gas com a combustible per a les seves operacions in situ.

Aquest estudi, demostra que si s'utilitzessin les energies renovables per a l'explotació el màxim possible i es rebés el biogàs recollit al sistema, llavors, només utilitzant una petita quantitat seria suficient  com a back-up per tant, hi hauria importants avantatges econòmics i mediambientals respecte al biogàs tradicional. 

Font: Universitat del Suc d'Austràlia.

Bateria atòmica compacta.

S'ha presentat una innovadora font d’energia autònoma: una bateria atòmica compacta que pot durar fins a 20 anys.

A causa de l'estructura original 3-D de l'element beta-voltaic, ha estat possible reduir les seves dimensions fins a  tres vegades  amb un increment de la potència de 10 vegades al 50% del cost disminuït un 50%. 

El dispositiu original s'ha basat en una estructura  micro-canal 3-D d'un element níquel beta-voltaic. La seva peculiaritat és que l’element radioactiu s’aplica a banda i banda de l’anomenada unió plana pn, que simplifica la tecnologia de fabricació, així com el control del corrent invers que consumeix energia de la bateria . L’estructura especial de micro-canal proporciona un augment de l’àrea de conversió efectiva de la radiació beta en 14 vegades, la qual cosa produeix un augment global del corrent.

Els paràmetres elèctrics esperats del disseny proposat van ser: 

• Corrent de curtcircuit IKZ: 230 nA / cm 2 (fins ara:24 nA),
• Potència: 31nW / cm 2 , (fins ara: 3nW) 

El disseny permet augmentar l’eficiència en convertir l’energia alliberada d’una font β en electricitat per un ordre de magnitud, que en el futur reduirà el cost de la font en un 50% a causa de l’ús racional de un car radio-isòtop.

Al mateix temps , el desenvolupament permetrà augmentar la potència específica per un ordre de magnitud, a causa del qual el pes i les dimensions de les bateries basades en elles disminuiran tres vegades mantenint el nivell de potència requerit.

La bateria es pot utilitzar en diversos modes funcionals: 

• Com a font d’alimentació de back-up 
• Com a sensor de temperatura en dispositius utilitzats a temperatures extremes i en llocs de difícil accés (o completament inaccessibles): a l’espai, sota l’aigua, en zones d’altitud.

En aquest moment, els desenvolupadors estan completant el procediment de patent internacional de la invenció i el propi dispositiu ja ha estat reconegut per experts estrangers. En particular, en la revisió de l’agència d’investigació de màrqueting internacional Research and Markets , NUST MISIS ha estat nomenada com un dels actors clau del mercat global de bateries beta-voltaiques. La universitat està pressent entre empreses com City Labs, BetaBatt, Qynergy Corp i Widetronix.

Una bateria basada en cel·les beta-voltaiques (BVE), té un gran potencial, ja que creix a tots els sectors industrials, la demanda de bateries fiables amb llarga vida útil. Tenint en compte les exclusives característiques com són: la petita mida i la  seguretat, el desenvolupament de científics NUST MISIS podrà ocupar una part important del mercat de subministrament d'energia.

Font: NUST MISIS