El uso de la energía se considera sostenible si satisface las necesidades del presente sin comprometer las necesidades de las generaciones futuras. Las definiciones de energía sostenible suelen incluir aspectos ambientales como las emisiones de gases de efecto invernadero y aspectos sociales y económicos como la pobreza energética .
Las fuentes de energía renovable como la energía eólica , hidroeléctrica , solar y geotérmica son generalmente mucho más sostenibles que las fuentes de combustibles fósiles. Sin embargo, algunos proyectos de energía renovable, como la tala de bosques para la producción de biocombustibles , pueden causar graves daños ambientales. El papel de las fuentes de energía no renovables ha sido controvertido. Por ejemplo, la energía nuclear es una fuente de bajas emisiones de carbono y tiene un historial de seguridad comparable al de la energía eólica y solar, [1] pero su sostenibilidad se ha debatido debido a preocupaciones sobre la proliferación nuclear , los desechos radiactivos y los accidentes. El cambio del carbón al gas natural tiene beneficios ambientales, pero puede retrasar el cambio a opciones más sostenibles.
La transición energética para satisfacer las necesidades mundiales de electricidad, calefacción, refrigeración y transporte de manera sostenible es uno de los mayores desafíos que enfrenta la humanidad en el siglo XXI. La producción y el consumo de energía son responsables de más del 70% de las emisiones de gases de efecto invernadero que provocan el cambio climático , la escasez de agua y la pérdida de biodiversidad , y pueden generar residuos tóxicos . La quema de combustibles fósiles y biomasa es uno de los principales contribuyentes a la contaminación del aire , que causa aproximadamente 7 millones de muertes cada año. 770 millones de personas carecen de acceso a la electricidad y más de 2.600 millones dependen de combustibles contaminantes como la madera o el carbón para cocinar.
Los costos de la energía eólica, solar y de las baterías se han reducido rápidamente y se prevé que sigan cayendo debido a la innovación y las economías de escala . Para dar cabida a una mayor proporción de fuentes de energía variables , la red eléctrica necesita infraestructura adicional, como el almacenamiento de energía de la red . Estas fuentes generaron el 8,5% de la electricidad mundial en 2019, una proporción que ha crecido rápidamente. Es probable que un sistema de energía sostenible experimente un cambio hacia un mayor uso de la electricidad en sectores como el transporte, la conservación de energía y el uso de hidrógeno producido por energías renovables o de combustibles fósiles con captura y almacenamiento de carbono . Se están utilizando electricidad y combustibles de combustión limpia para reemplazar el uso de combustibles para cocinar altamente contaminantes en los países de bajos ingresos. [2] El Acuerdo de París para limitar el cambio climático y los Objetivos de Desarrollo Sostenible de las Naciones Unidas apuntan a una transición rápida hacia la energía sostenible. Los gobiernos utilizan diversas políticas para promover un uso más sostenible de la energía, como los estándares de eficiencia energética, la fijación de precios del carbono , las regulaciones sobre contaminación por combustibles fósiles, las inversiones en energía renovable y la eliminación gradual de los subsidios a los combustibles fósiles .
Definiciones y antecedentes
Criterios de desarrollo sostenible y sostenibilidad
El concepto de desarrollo sostenible , para el que la energía es un componente clave, fue descrito por la Comisión Brundtland de las Naciones Unidas en su informe de 1987 Nuestro futuro común . Definió el desarrollo sostenible como un desarrollo que "satisface las necesidades del presente sin comprometer la capacidad de las generaciones futuras para satisfacer sus propias necesidades". [3] Esta descripción del desarrollo sostenible ha sido referenciada desde entonces en muchas definiciones y explicaciones de energía sostenible. [4] [5] [6] [3] Ninguna interpretación única de cómo se aplica el concepto de sostenibilidad a la energía ha ganado aceptación mundial. [7] La Comisión Económica de las Naciones Unidas para Europa , y varios académicos en el campo, incluyen tres dimensiones principales de sostenibilidad en sus definiciones de trabajo de energía sostenible:
- La dimensión ambiental incluye las emisiones de gases de efecto invernadero , los impactos sobre la biodiversidad y los ecosistemas, la producción de desechos peligrosos y emisiones tóxicas, [7] el consumo de agua [8] y el agotamiento de los recursos no renovables. [6] Las fuentes de energía con bajo impacto ambiental se denominan a veces energía verde o energía limpia .
- Las dimensiones económicas y sociales incluyen que la energía confiable sea asequible para todas las personas, [7] [6] y seguridad energética para que cada país tenga acceso constante a suficiente energía. [7] [9]
La transición energética para satisfacer las necesidades mundiales de electricidad, calefacción, refrigeración y transporte de manera sostenible es uno de los mayores desafíos que enfrenta la humanidad en el siglo XXI, tanto en términos de satisfacer las necesidades del presente como en términos de efectos sobre generaciones futuras. [10] [11] Mejorar el acceso a la energía en los países menos desarrollados y hacer que la energía sea más limpia son fundamentales para lograr la mayoría de los Objetivos de Desarrollo Sostenible 2030 de las Naciones Unidas , que abarcan temas que van desde la acción climática hasta la igualdad de género . [12] El Objetivo de Desarrollo Sostenible 7 exige "acceso a una energía asequible, fiable, sostenible y moderna para todos" para 2030. [13]
Cuestiones ambientales
El sistema energético actual contribuye a muchos problemas ambientales, incluido el cambio climático , la contaminación del aire , la pérdida de biodiversidad , la liberación de toxinas al medio ambiente y la escasez de agua. La producción y el consumo de energía son responsables del 72% de las emisiones anuales de gases de efecto invernadero causadas por el hombre a partir de 2014. La generación de electricidad y calor contribuye con el 31% de las emisiones de gases de efecto invernadero causadas por el hombre, el uso de energía en el transporte contribuye con el 15% y el uso de energía en manufactura y construcción aporta el 12%. Un 5% adicional se libera a través de procesos asociados con la producción de combustibles fósiles y un 8% a través de varias otras formas de combustión de combustibles. [15] [16]
La quema de combustibles fósiles y biomasa es una fuente importante de contaminantes del aire que son perjudiciales para la salud humana. [17] [18] La Organización Mundial de la Salud estima que la contaminación del aire exterior causa 4,2 millones de muertes por año, [19] y la contaminación del aire interior causa 3,8 millones de muertes por año. [20] Alrededor del 91% de la población mundial vive con niveles de contaminación del aire que superan los límites recomendados por la OMS. [21] Limitar el calentamiento global a 2 ° C podría salvar alrededor de un millón de esas vidas por año para 2050, mientras que limitar el calentamiento global a 1,5 ° C podría salvar millones al tiempo que aumenta la seguridad energética y reduce la pobreza. [22] [23] [24] Múltiples análisis de las estrategias de descarbonización de EE. UU. Han encontrado que los beneficios para la salud cuantificados pueden compensar significativamente los costos de implementar estas estrategias. [25] La combustión del carbón libera elementos precursores que se forman en ozono a nivel del suelo y lluvia ácida , especialmente si el carbón no se limpia antes de la combustión. [26]
Los impactos ambientales se extienden más allá de los subproductos de la combustión. Los derrames de petróleo en el mar dañan la vida marina y pueden provocar incendios que liberan emisiones tóxicas. [27] Alrededor del 10% del uso mundial de agua se destina a la producción de energía, principalmente para enfriar plantas de energía térmica. En regiones ya secas, esto contribuye a la escasez de agua . La producción de bioenergía, la extracción y procesamiento de carbón y la extracción de petróleo también requieren grandes cantidades de agua. [28]
Pobreza energética
En 2019, 770 millones de personas no tienen acceso a la electricidad, tres cuartas partes de las cuales viven en África subsahariana. [29] A partir de 2020, más de 2.600 millones de personas [30] en los países en desarrollo dependen de la quema de combustibles contaminantes como madera, estiércol de animales, carbón o queroseno para cocinar.
Cocinar con combustibles contaminantes causa una contaminación dañina del aire interior , lo que resulta en un estimado de 1,6 a 3,8 millones de muertes al año, [31] [32] y también contribuye significativamente a la contaminación del aire exterior. [33] Los efectos sobre la salud se concentran entre las mujeres, que probablemente sean responsables de cocinar, y los niños pequeños. [33] El trabajo de recolección de combustible expone a mujeres y niños a riesgos de seguridad y, a menudo, consume 15 horas o más por semana, lo que limita el tiempo disponible para la educación, el descanso y el trabajo remunerado. [33] El aprovechamiento excesivo de madera y otros materiales combustibles puede causar graves daños ambientales locales, incluida la desertificación . [34] Los esfuerzos para mejorar el acceso a estufas y combustibles limpios para cocinar apenas se han mantenido a la par del crecimiento de la población, y las políticas actuales y planificadas dejarían sin acceso a 2.400 millones de personas en 2030. [30]
La energía confiable y asequible, en particular la electricidad, es esencial para la atención médica, la educación y el desarrollo económico. [35] En las clínicas de salud, se requiere electricidad para el funcionamiento del equipo médico, la refrigeración de vacunas y medicamentos y la iluminación, [35] pero una encuesta de 2018 en seis países asiáticos y africanos encontró que la mitad de los establecimientos de salud no tenían acceso a electricidad. [36] Los hogares sin electricidad suelen utilizar lámparas de queroseno para iluminarse, lo que genera humos tóxicos. [37] Según un informe de 2020 de la AIE, las políticas actuales y previstas dejarían sin electricidad a más de 660 millones de personas para 2030. [29]
Conservación de energía
Aumentar la eficiencia energética es una de las formas más importantes de reducir la contaminación relacionada con la energía y, al mismo tiempo, generar beneficios económicos y mejorar la calidad de vida. Para algunos países, la eficiencia puede mejorar la seguridad energética al reducir la dependencia de las importaciones de combustibles fósiles. La eficiencia tiene el potencial de frenar el crecimiento de la demanda de energía para permitir que el aumento de los suministros de energía limpia haga recortes profundos en el uso de combustibles fósiles. [38] La Agencia Internacional de Energía (AIE) estima que el 40% de las reducciones de emisiones de gases de efecto invernadero necesarias para cumplir el acuerdo de París se pueden lograr aumentando la eficiencia energética. [39] [40] Las vías de mitigación del cambio climático que están en línea con estos objetivos muestran que el uso de energía se mantuvo aproximadamente igual entre 2010 y 2030, y luego aumentará ligeramente para 2050. [41]
Las mejoras en la eficiencia energética se desaceleraron en los años entre 2015 y 2018, en parte debido a las preferencias de los consumidores por automóviles más grandes. A nivel mundial, los gobiernos tampoco aumentaron fuertemente sus ambiciones en la política de eficiencia energética durante este período. [40] Las políticas para mejorar la eficiencia pueden incluir códigos de construcción , estándares de desempeño y precios del carbono . [42] La eficiencia energética y las energías renovables se consideran a menudo los pilares gemelos de la energía sostenible. [43] [44]
El cambio de comportamiento es otra forma importante de conservar energía. En el escenario de la Agencia Internacional de Energía para alcanzar cero emisiones netas de gases de efecto invernadero en 2050, se describen varios cambios de comportamiento significativos, aproximadamente la mitad de ellos derivados del transporte. En su escenario, algunos vuelos de negocios son reemplazados por videoconferencias , el ciclismo y la caminata aumentan en popularidad, y más personas utilizan el transporte público. [45] Se espera que la mayoría de los cambios de comportamiento se logren mediante políticas gubernamentales, como el desarrollo de redes ferroviarias de alta velocidad , que alentarían a las personas a optar por no volar. [46]
Fuentes de energia
Fuentes de energía renovable
Las tecnologías de energía renovable son contribuyentes esenciales a la energía sostenible, ya que generalmente contribuyen a la seguridad energética global y reducen la dependencia de los recursos de combustibles fósiles , mitigando así las emisiones de gases de efecto invernadero. [48] Los términos energía sostenible y energía renovable se utilizan a menudo indistintamente. [49] Sin embargo, los proyectos de energía renovable a veces plantean importantes problemas de sostenibilidad, como los riesgos para la biodiversidad cuando áreas de alto valor ecológico se convierten en producción de bioenergía o en parques eólicos o solares. [50] [51]
La energía hidroeléctrica es la mayor fuente de electricidad renovable, mientras que la energía solar y eólica han experimentado un crecimiento y un progreso sustanciales en los últimos años; La energía solar fotovoltaica y la energía eólica terrestre son las formas más baratas de agregar nueva capacidad de generación de energía en la mayoría de los países. [52] [53] Para más de la mitad de los 770 millones de personas que actualmente carecen de acceso a la electricidad, es probable que las soluciones descentralizadas de energía renovable , como las minirredes de energía solar, sean el método más económico para proporcionar acceso para 2030. [29 ]
Solar
La energía solar es la principal fuente de energía de la Tierra, un recurso limpio y disponible en abundancia en muchas regiones. [54] En 2019, la energía solar proporcionó alrededor del 3% de la electricidad mundial, [55] principalmente a través de paneles solares basados en células fotovoltaicas (FV). Los paneles se montan en la parte superior de los edificios o se utilizan en parques solares conectados a la red eléctrica. Los costos de la energía solar fotovoltaica se han reducido rápidamente, lo que está impulsando un fuerte crecimiento en la capacidad mundial. [56] El costo de la electricidad de las nuevas granjas solares es competitivo o, en muchos lugares, más barato que la electricidad de las centrales de carbón existentes. [57]
La energía solar concentrada produce calor para impulsar un motor térmico . Debido a que el calor se almacena, este tipo de energía solar es distribuible : se puede producir cuando sea necesario. [58] Los sistemas de calefacción solar térmica se utilizan para muchas aplicaciones: agua caliente, calefacción de edificios, secado y desalinización. [59] A nivel mundial, en 2018, la energía solar cubrió el 1,5% de la demanda de energía final para calefacción y refrigeración. [60]
Energía eólica
Como fuente de energía limpia, el viento ha sido un importante impulsor del desarrollo durante milenios, proporcionando transporte por mar y energía mecánica para procesos industriales y recuperación de tierras . [61] En 2019, las turbinas eólicas proporcionaron aproximadamente el 6% de la electricidad mundial. [55] La electricidad de los parques eólicos terrestres suele ser más barata que las plantas de carbón existentes y competitiva con el gas natural y la energía nuclear. [57] Las turbinas eólicas también se pueden colocar en el océano, donde los vientos son más constantes y fuertes que en tierra, pero los costos de construcción y mantenimiento son más altos. Según algunas previsiones de los analistas, la energía eólica marina será más barata que la eólica terrestre a mediados de la década de 2030. [62]
Los parques eólicos terrestres, a menudo construidos en áreas silvestres o rurales, tienen un impacto visual en el paisaje. [63] Las poblaciones locales de murciélagos pueden verse fuertemente afectadas por las colisiones. [64] El ruido y la luz parpadeante creados por las turbinas pueden ser molestos y limitar la construcción cerca de áreas densamente pobladas. La energía eólica, a diferencia de las centrales nucleares y de combustibles fósiles, no consume agua para producir energía. [65] Se necesita poca energía para la construcción de turbinas eólicas en comparación con la energía producida por la propia planta de energía eólica. [66] Las palas de las turbinas no son totalmente reciclables; la investigación sobre métodos de fabricación de hojas más fáciles de reciclar está en curso. [67]
Energía hidroeléctrica
Las plantas hidroeléctricas convierten la energía del agua en movimiento en electricidad. En promedio, la energía hidroeléctrica se encuentra entre las fuentes de energía con los niveles más bajos de emisiones de gases de efecto invernadero por unidad de energía producida, pero los niveles de emisiones varían enormemente entre proyectos. [68] En 2019, la energía hidroeléctrica suministró el 16% de la electricidad mundial, por debajo de un máximo de casi el 20% a mediados y finales del siglo XX. [69] [70] Produjo el 60% de la electricidad en Canadá y casi el 80% en Brasil. [69]
En la energía hidroeléctrica convencional, se crea un embalse detrás de una presa. Las centrales hidroeléctricas convencionales proporcionan un suministro de electricidad distribuible y altamente flexible y se pueden combinar con energía eólica y solar para proporcionar una carga máxima y compensar cuando el viento y el sol están menos disponibles. [71]
En la mayoría de los proyectos hidroeléctricos convencionales, la materia biológica que se sumerge en la inundación del embalse se descompone y se convierte en una fuente de dióxido de carbono y metano. [72] Estas emisiones de gases de efecto invernadero son particularmente importantes en las regiones tropicales. [73] A su vez, la deforestación y el cambio climático pueden reducir la generación de energía de las represas hidroeléctricas. [71] Dependiendo de la ubicación, la implementación de represas a gran escala puede desplazar a los residentes y causar importantes daños ambientales locales. [71]
Las instalaciones hidroeléctricas de pasada tienen generalmente menos impacto ambiental que las instalaciones basadas en embalses, pero su capacidad para generar energía depende del flujo del río, que puede variar con las condiciones climáticas diarias y estacionales. Los embalses proporcionan controles de la cantidad de agua que se utilizan para el control de inundaciones y la producción de electricidad flexible, al mismo tiempo que brindan seguridad durante la sequía para el suministro de agua potable y el riego. [74]
Geotermia
La energía geotérmica se produce aprovechando el calor que existe debajo de la corteza terrestre. [75] El calor puede obtenerse perforando el suelo y luego transportado por un fluido caloportador como agua, salmuera o vapor. [75] La energía geotérmica puede aprovecharse para la generación de electricidad y para calefacción. El uso de energía geotérmica se concentra en regiones donde la extracción de calor es económica: se necesita una combinación de calor, flujo y alta permeabilidad . [76] En todo el mundo en 2018, la geotermia proporcionó el 0,6% de la demanda de energía final de calefacción y refrigeración en los edificios. [60] [ verificación fallida ]
La energía geotérmica es un recurso renovable porque la energía térmica se repone constantemente desde las regiones vecinas más cálidas. [77] Las emisiones de gases de efecto invernadero de las centrales eléctricas geotérmicas son en promedio 45 gramos de dióxido de carbono por kilovatio-hora de electricidad, o menos del 5 por ciento de las de las plantas convencionales de carbón. [78] La energía geotérmica conlleva el riesgo de provocar terremotos, necesita una protección eficaz para evitar la contaminación del agua y emite emisiones tóxicas que pueden capturarse. [79]
Bioenergía
La biomasa es una fuente versátil y común de energía renovable. Si la producción de biomasa está bien gestionada, las emisiones de carbono pueden compensarse significativamente mediante la absorción de dióxido de carbono por las plantas durante su vida útil. [80] La biomasa puede quemarse para producir calor y generar electricidad o convertirse en biocombustibles modernos como el biodiésel y el etanol . [81] [82] Los biocombustibles se producen a menudo a partir de maíz o caña de azúcar. Se utilizan para impulsar el transporte, a menudo mezclados con combustibles fósiles líquidos. [80]
El uso de tierras de cultivo para el cultivo de biomasa puede resultar en menos tierra disponible para el cultivo de alimentos . Dado que la fotosíntesis solo captura una pequeña fracción de la energía de la luz solar, y los cultivos requieren cantidades significativas de energía para cosechar, secar y transportar, se necesita mucha tierra para producir biomasa. [83] Si la biomasa se obtiene de cultivos, como plantaciones de árboles, el cultivo de estos cultivos puede desplazar ecosistemas naturales , degradar suelos y consumir recursos hídricos y fertilizantes sintéticos. [84] [85] Aproximadamente un tercio de toda la madera utilizada como combustible se cosecha de manera insostenible. [86] En algunos casos, estos impactos pueden resultar en emisiones globales de carbono más altas en comparación con el uso de combustibles derivados del petróleo. [85] [87]
En los Estados Unidos, el etanol a base de maíz ha reemplazado alrededor del 10% de la gasolina de motor, lo que requiere una proporción significativa de la cosecha anual de maíz. [88] [89] En Malasia e Indonesia, la tala de bosques para producir aceite de palma para biodiesel ha tenido serios efectos sociales y ambientales , ya que estos bosques son sumideros de carbono críticos y hábitats para especies en peligro de extinción. [90]
Las fuentes de biomasa más sostenibles incluyen cultivos que se cultivan en suelos no aptos para la producción de alimentos, algas y desechos. [80] Si la fuente de biomasa son residuos agrícolas o municipales, quemarlos o convertirlos en biogás proporciona una forma de eliminar estos residuos. [84] Los biocombustibles de segunda generación , producidos a partir de plantas no alimentarias, reducen la competencia con la producción de alimentos, pero pueden tener otros efectos negativos, como compensaciones con las áreas de conservación y la contaminación atmosférica local. [80]
Según el Comité de Cambio Climático del Reino Unido , a largo plazo, todos los usos de la bioenergía deben utilizar la captura y almacenamiento de carbono ( BECCS ), [91] y los usos en los que no es posible un secuestro efectivo de carbono, como el uso de biocombustibles en vehículos, deben eliminarse gradualmente. fuera. [92]
Energía marina
La energía marina representa la participación más pequeña del mercado energético. Abarca la energía de las mareas , que se acerca a la madurez, y la energía de las olas , que se encuentra en una etapa más temprana de su desarrollo. Dos sistemas de barrera de mareas, en Francia y Corea, representan el 90% de la producción total. Si bien los dispositivos de energía marina únicos representan un riesgo mínimo para el medio ambiente, los impactos de los dispositivos de matriz múltiple son menos conocidos. [93]
Fuentes de energía no renovables
Cambiar a gas
Para una determinada unidad de energía producida, las emisiones de gases de efecto invernadero del ciclo de vida de gas natural son alrededor de 40 veces las emisiones de viento o la energía nuclear, pero mucho menor que la de carbón . El gas natural produce alrededor de la mitad de las emisiones de carbón cuando se usa para generar electricidad y alrededor de dos tercios de las emisiones de carbón cuando se usa para producir calor. La reducción de las fugas de metano en el proceso de extracción y transporte de gas natural reduce aún más las emisiones. [94] El gas natural produce menos contaminación atmosférica que el carbón. [95]
La construcción de centrales eléctricas de gas y gasoductos se promueve como una forma de eliminar gradualmente la contaminación por combustión de carbón y madera y aumentar el suministro de energía en algunos países africanos con poblaciones o economías en rápido crecimiento [96], sin embargo, esta práctica es controvertida. El desarrollo de la infraestructura de gas natural corre el riesgo de crear un bloqueo de carbono y activos varados . [97]
La energía nuclear
Las plantas de energía nuclear se han utilizado desde la década de 1950 para producir un suministro constante de electricidad con bajas emisiones de carbono, sin generar contaminación atmosférica local. En 2020, las centrales nucleares de más de 30 países generaron el 10% de la electricidad mundial [98], pero casi el 50% de la energía con bajas emisiones de carbono en Estados Unidos y la Unión Europea. A nivel mundial, la energía nuclear es la segunda mayor fuente de energía con bajas emisiones de carbono después de la energía hidroeléctrica. [99] La energía nuclear utiliza poca tierra por unidad de energía producida, en comparación con las principales energías renovables. [100]
Las emisiones de gases de efecto invernadero del ciclo de vida de la energía nuclear (incluida la extracción y el procesamiento de uranio ) son similares a las emisiones de las fuentes de energía renovables. [101] Reducir el tiempo y el costo de la construcción de nuevas centrales nucleares ha sido un objetivo durante décadas, pero el progreso ha sido limitado . [102] [103]
Existe una controversia considerable sobre si la energía nuclear puede considerarse sostenible, y los debates giran en torno al riesgo de accidentes nucleares , la generación de desechos nucleares radiactivos y el potencial de la energía nuclear para contribuir a la proliferación de armas nucleares . Estas preocupaciones impulsaron el movimiento antinuclear . El apoyo público a la energía nuclear es a menudo bajo como resultado de preocupaciones de seguridad; sin embargo, por cada unidad de energía producida, la energía nuclear es mucho más segura que la energía de combustibles fósiles y comparable a las fuentes renovables. [104] El mineral de uranio que se utiliza para alimentar las plantas de fisión nuclear es un recurso no renovable, pero existen cantidades suficientes para proporcionar un suministro durante cientos de años. [105] Las vías de mitigación del cambio climático que son consistentes con objetivos ambiciosos suelen ver un aumento en el suministro de energía nuclear, pero el crecimiento no es estrictamente necesario. [106] Expertos del Centro Común de Investigación (CCI), el brazo de expertos científicos de la UE, afirmaron en abril de 2021 que la energía nuclear es "sostenible". [107]
Se están desarrollando varias formas nuevas de energía nuclear, con la esperanza de abordar los inconvenientes de las plantas convencionales. La energía nuclear basada en torio , en lugar de uranio, puede proporcionar una mayor seguridad energética para los países que no tienen un gran suministro de uranio. [108] Los reactores modulares pequeños pueden tener varias ventajas sobre los reactores grandes actuales: debería ser posible construirlos más rápido y su modularización permitiría reducir los costos mediante el aprendizaje práctico . [109] Varios países están intentando desarrollar reactores de fusión nuclear, que generarían cantidades muy pequeñas de desechos y sin riesgo de explosiones. [110]
Transformación del sistema energético
Mantener el calentamiento global por debajo de los 2 ° C requerirá una transformación completa de la forma en que se produce y se consume la energía. [111] A partir de 2019, el 85% de las necesidades energéticas del mundo se satisfacen mediante la quema de combustibles fósiles. [111] Para maximizar el uso de fuentes de energía renovables, las tecnologías de uso de energía, como los vehículos, deben funcionar con electricidad o hidrógeno. [112] Los sistemas eléctricos también deberán ser más flexibles para adaptarse a las fuentes de energía renovables variables . [113]
Se necesita más innovación en el sector de la energía para llegar a cero neto en 2050. La Agencia Internacional de Energía estima que si bien la mayoría de las emisiones de CO2
2La reducción hasta 2030 se puede lograr mediante la implementación de tecnologías maduras, esa fracción se reduce a aproximadamente la mitad en 2050 y la mitad restante se logra con tecnologías que actualmente aún están en desarrollo. Innovación futura en baterías, electrolizadores de hidrógeno y captura directa de aire (que captura CO
2directamente de la atmósfera) y el almacenamiento se identifican como potencialmente importantes. El desarrollo de nuevas tecnologías requiere investigación y desarrollo , demostración y reducción de costos mediante el despliegue . [114]
Electrificación
La electrificación es una parte clave del uso de energía de manera sostenible. Existen muchas opciones para producir electricidad de forma sostenible, pero la producción sostenible de combustibles o calor a gran escala es relativamente difícil. [115] A partir de 2018, aproximadamente una cuarta parte de toda la generación de electricidad provino de fuentes renovables distintas de la biomasa, y la generación de electricidad ha experimentado una absorción mucho más rápida de las energías renovables que los sectores de calor y transporte. [116]
Es posible que se necesite una electrificación masiva en el sector del calor y el transporte para hacer que estos sectores sean sostenibles, con bombas de calor y vehículos eléctricos desempeñando un papel importante. [117] Una política climática ambiciosa permitiría duplicar la energía consumida como electricidad para 2050, desde el 20% en 2020. [118]
La infraestructura para generar y almacenar electricidad renovable requiere minerales y metales, como cobalto y litio para baterías y cobre para paneles solares. [119] Parte de esta demanda puede satisfacerse mediante el reciclaje si los ciclos de vida de los productos están bien diseñados; sin embargo, lograr cero emisiones netas aún requeriría aumentos importantes en la minería de 17 tipos de metales y minerales. [119] Los mercados de estos productos básicos a veces están dominados por un pequeño grupo de países o empresas, lo que plantea preocupaciones geopolíticas. [120] El cobalto, por ejemplo, se extrae en el Congo , una región políticamente inestable. Un abastecimiento geográfico más diverso puede garantizar la estabilidad de la cadena de suministro. [121] [122]
Gestión de fuentes de energía variables
La energía solar y la eólica son fuentes de energía renovables variables que suministran electricidad de forma intermitente según el clima y la hora del día. [123] [124] La mayoría de las redes eléctricas se construyeron para fuentes de energía no intermitentes, como las centrales eléctricas de carbón. [125] Dado que en la red se integran mayores cantidades de energía solar y eólica, es necesario realizar cambios en el sistema energético para garantizar que el suministro de electricidad se adapte a la demanda. [126] En 2019, estas fuentes generaron el 8,5% de la electricidad mundial, una proporción que ha crecido rápidamente. [55]
Hay varias formas de flexibilizar el sistema eléctrico. En muchos lugares, la producción eólica y solar son complementarias a escala diaria y estacional: hay más viento durante la noche y en invierno, cuando la producción de energía solar es baja. [126] La vinculación de diferentes regiones geográficas a través de líneas de transmisión de larga distancia permite anular aún más la variabilidad. [127] La demanda de energía puede modificarse en el tiempo mediante la gestión de la demanda de energía y el uso de redes inteligentes , coincidiendo con los momentos en que la producción de energía variable es más alta. Con el almacenamiento, la energía producida en exceso puede liberarse cuando sea necesario. [126] La creación de capacidad adicional para la generación eólica y solar puede ayudar a garantizar que se produzca suficiente electricidad incluso con mal tiempo; durante el tiempo de generación de energía óptima puede tener que ser reducido . El desajuste final puede cubrirse mediante el uso de fuentes de energía despachables como la energía hidroeléctrica, la bioenergía o el gas natural. [128]
Almacen de energia
El almacenamiento de energía ayuda a superar las barreras para la energía renovable intermitente y, por lo tanto, es un aspecto importante de un sistema de energía sostenible. [129] El método de almacenamiento más utilizado es la hidroelectricidad de almacenamiento por bombeo , que requiere ubicaciones con grandes diferencias de altura y acceso al agua. [129] Las baterías , y específicamente las baterías de iones de litio , también se utilizan ampliamente. [130] Las baterías suelen almacenar electricidad durante períodos breves; Se está investigando una tecnología con capacidad suficiente para durar temporadas. [131] En algunos lugares se ha implementado almacenamiento de energía hidroeléctrica por bombeo y conversión de energía a gas con capacidad para un uso de varios meses. [132] [133]
Hidrógeno
El hidrógeno se puede quemar para producir calor o puede alimentar pilas de combustible para generar electricidad, con cero emisiones en el punto de uso. Las emisiones generales del ciclo de vida del hidrógeno dependen de cómo se produzca. Muy poco del suministro actual de hidrógeno del mundo se crea actualmente a partir de fuentes sostenibles. Casi todo se produce a partir de combustibles fósiles, lo que genera altas emisiones de gases de efecto invernadero. Con las tecnologías de captura y almacenamiento de carbono, se podría eliminar una gran fracción de estas emisiones. [134]
El hidrógeno se puede producir mediante electrólisis , utilizando electricidad para dividir las moléculas de agua en hidrógeno y oxígeno, y si la electricidad se genera de forma sostenible, el combustible resultante también será sostenible. Este proceso es actualmente más caro que la creación de hidrógeno a partir de combustibles fósiles, y la eficiencia de la conversión de energía es intrínsecamente baja. [134] El hidrógeno se puede producir cuando hay un excedente de electricidad renovable intermitente, luego se almacena y se utiliza para generar calor o para volver a generar electricidad. La conversión adicional a amoníaco permite que la energía se almacene más fácilmente a temperatura ambiente en forma líquida. [135]
Existe la posibilidad de que el hidrógeno desempeñe un papel importante en la descarbonización de los sistemas energéticos porque en ciertos sectores, reemplazar los combustibles fósiles por el uso directo de electricidad sería muy difícil. [134] El combustible de hidrógeno puede producir el calor intenso necesario para la producción industrial de acero, cemento, vidrio y productos químicos. [136] Se considera que la siderurgia es el uso de hidrógeno que sería más eficaz para limitar las emisiones de gases de efecto invernadero a corto plazo. [136]
Captura y almacenamiento de carbono
Las emisiones de gases de efecto invernadero de las plantas de energía de biomasa y combustibles fósiles pueden reducirse significativamente mediante la captura y almacenamiento de carbono (CAC); sin embargo, el despliegue de esta tecnología todavía es muy limitado, con solo 21 plantas CAC a gran escala en funcionamiento en todo el mundo a partir de 2020 . 137] El proceso de CCS es costoso, y los costos dependen considerablemente de la proximidad del lugar a una geología adecuada para el almacenamiento de dióxido de carbono . [62] [138] El CCS se puede adaptar a las centrales eléctricas existentes, pero en ese caso consume más energía. [139] La mayoría de los estudios utilizan la suposición de trabajo de que la CAC puede capturar entre el 85 y el 90% del CO
2emisiones de una planta de energía. [140] [141] Si el 90% del CO emitido
2se captura de una planta de energía de carbón, sus emisiones no capturadas aún serían muchas veces mayores que las emisiones de energía nuclear, solar o eólica por unidad de electricidad producida. [142] [143] Dado que las plantas de carbón que utilizan CAC serían menos eficientes, necesitarían más carbón y, por lo tanto, aumentarían la contaminación asociada con la minería y el transporte de carbón. [144]
Cuando se utiliza CCS para capturar las emisiones de la quema de biomasa en un proceso conocido como bioenergía con captura y almacenamiento de carbono (BECCS), el proceso general puede resultar en la eliminación neta de dióxido de carbono de la atmósfera. El proceso BECCS puede generar emisiones netas positivas dependiendo de cómo se cultive, recolecte y transporte el material de biomasa. [145] A partir de 2014, las vías de mitigación de menor costo para alcanzar el objetivo de 2 ° C suelen describir el despliegue masivo de BECCS. [145] Sin embargo, el uso de BECCS a la escala descrita en estas vías requeriría más recursos de los que están actualmente disponibles en todo el mundo. Por ejemplo, para capturar 10 mil millones de toneladas de CO
2por año requeriría biomasa del 40 por ciento de las tierras de cultivo actuales del mundo. [145]
Tecnologías de uso de energía
Calefacción y refrigeración
Para calentar edificios, las alternativas a la quema de combustibles fósiles y biomasa incluyen la electrificación ( bombas de calor o el calentador eléctrico menos eficiente ), geotermia, energía solar térmica y calor residual . [146] [147] [148] El almacenamiento de energía térmica estacional se ha implementado en algunas regiones de latitudes altas para la calefacción doméstica. [149] Los costos de todas estas tecnologías dependen en gran medida de la ubicación, y la adopción de la tecnología suficiente para una descarbonización profunda requiere intervenciones políticas estrictas. [148]
La IEA estima que las bombas de calor actualmente proporcionan solo el 5% de los requisitos de calefacción de agua y espacio a nivel mundial, pero podrían proporcionar más del 90%. [150] En áreas urbanas densamente pobladas, el espacio para las bombas de calor puede ser limitado y la calefacción urbana puede satisfacer mejor la demanda. [151]
Una gran parte de la población mundial no puede permitirse calefacción o refrigeración suficientes para sus hogares. [152] Además del aire acondicionado , que requiere electrificación y una demanda de energía adicional, se necesitará un diseño de edificios pasivos y una planificación urbana para garantizar que las necesidades de refrigeración se satisfagan de manera sostenible. [153]
Transporte
Hay varias formas de hacer que el transporte sea más sostenible. El transporte público con frecuencia emite menos por pasajero que los vehículos personales, especialmente con una alta ocupación. [154] [155] El transporte puede hacerse más limpio y saludable estimulando el transporte no motorizado como el ciclismo, particularmente en las ciudades. [156] Los vuelos de corta distancia pueden sustituirse por viajes en tren, que utilizan mucho menos combustible. [157]
La eficiencia energética de los automóviles ha aumentado como consecuencia del progreso tecnológico [158], pero el cambio a vehículos eléctricos es un paso importante hacia la descarbonización del transporte y la reducción de la contaminación atmosférica. [117] Los vehículos de hidrógeno pueden ser una opción para los vehículos más grandes que aún no han sido ampliamente electrificados, como los camiones de larga distancia. [159] Muchas de las técnicas necesarias para reducir las emisiones del transporte marítimo y la aviación se encuentran todavía en las primeras etapas de su desarrollo. [160] El biocombustible de aviación puede ser uno de los mejores usos de la bioenergía, siempre que se capture y almacene algo de carbono durante la fabricación del combustible. [91]
Industria
Más de un tercio del uso de energía corresponde a la industria. La mayor parte de esa energía se utiliza en procesos térmicos: generación de vapor, secado y refrigeración . La participación de la energía renovable en la industria fue del 14,5% en 2017, que incluye principalmente calor a baja temperatura suministrado por bioenergía y electricidad. Las actividades industriales más intensivas en energía tienen las proporciones más bajas de energía renovable, ya que enfrentan limitaciones para generar calor a temperaturas superiores a 200 ° C. [161]
Para algunos procesos industriales, como la producción de acero, será necesaria la comercialización de tecnologías que aún no se han construido u operado a gran escala para eliminar las emisiones de gases de efecto invernadero. [162] La producción de plástico, cemento y fertilizantes también requiere cantidades importantes de energía, con posibilidades limitadas disponibles para descarbonizar. [163] Un cambio a una economía circular haría que la industria fuera más sostenible, ya que implica reciclar más y, por lo tanto, utilizar menos energía en comparación con la extracción de nuevas materias primas . [164]
Cocinando
Una alta prioridad en el desarrollo sostenible global es reducir los problemas ambientales y de salud causados por cocinar con biomasa, carbón y queroseno. [165] Las alternativas incluyen estufas eléctricas , cocinas solares , estufas que usan combustibles limpios y estufas mejoradas que queman biomasa de manera más eficiente y con menos contaminación. Dependiendo de la ubicación, los combustibles limpios para cocinar suelen ser gas licuado de petróleo (GLP), biogás de producción local, gas natural por tuberías (PNG) o alcohol . [166] Las estufas de inducción eléctricas generan menos contaminación que el GLP, incluso cuando están conectadas a fuentes de energía de carbón, y en ocasiones son más baratas. [2] La Organización Mundial de la Salud anima a que se realicen más investigaciones sobre la tecnología de las estufas de biomasa, ya que ninguna estufa de biomasa ampliamente disponible cumple con los límites de emisiones recomendados. [167]
Se espera que la transición a métodos de cocción más limpios aumente las emisiones de gases de efecto invernadero en una cantidad mínima o las disminuya, incluso si los combustibles de reemplazo son combustibles fósiles. Existe evidencia de que el cambio a GLP y PNG tiene un efecto climático menor que la combustión de combustibles sólidos, que emite metano y carbón negro . [168] El IPCC declaró en 2018, "Se proyecta que los costos de lograr un acceso casi universal a la electricidad y combustibles limpios para cocinar y calentar estarán entre 72 y 95 mil millones de dólares por año hasta 2030 con efectos mínimos en las emisiones de GEI". [169]
Finanzas
El IPCC estima que para limitar el calentamiento global a 1,5 grados, sería necesario invertir 2,4 billones de dólares estadounidenses en el sistema energético cada año entre 2016 y 2035. La mayoría de los estudios proyectan que estos costos, que equivalen al 2,5 por ciento del PIB mundial, serían pequeño en comparación con los beneficios económicos y para la salud. [170] La CMNUCC estima que en 2016, la financiación climática ascendió a un total de 681.000 millones de dólares, y la mayor parte correspondió a inversiones del sector privado en el despliegue de energías renovables, inversiones del sector público en transporte sostenible e inversiones del sector privado en eficiencia energética. [80] [171] La inversión anual media en tecnologías energéticas con bajas emisiones de carbono y eficiencia energética debería incrementarse en aproximadamente un factor de seis para 2050 en comparación con 2015, superando las inversiones en fósiles hacia 2025. [172]
Los subsidios a los combustibles fósiles constituyen una barrera importante para la transición energética . [173] Los subsidios globales directos a los combustibles fósiles alcanzaron $ 319 mil millones en 2017, y $ 5,2 billones cuando se incluyen los costos indirectos como la contaminación del aire. [174] Poner fin a estos podría conducir a una reducción del 28% en las emisiones globales de carbono y una reducción del 46% en muertes por contaminación del aire. [175]
La Organización Internacional del Trabajo estima que los esfuerzos para limitar el calentamiento global a 2 grados resultarían en la creación neta de empleo en la mayoría de los sectores de la economía. [176] Predice que se crearán 24 millones de nuevos puestos de trabajo en áreas como la generación de electricidad renovable, la mejora de la eficiencia energética en los edificios y la transición a vehículos eléctricos, mientras que se perderán 6 millones de puestos de trabajo en la industria de los combustibles fósiles. [176]
En 2020, la Agencia Internacional de Energía advirtió que la agitación económica causada por la pandemia COVID-19 podría prevenir o retrasar las inversiones del sector privado en energía verde. [177] [178] La pandemia podría potencialmente significar una desaceleración en la transición de energía limpia del mundo si no se toman medidas, pero también ofrece posibilidades para una recuperación verde . [179]
Políticas gubernamentales
Las políticas gubernamentales bien diseñadas que promueven la transformación del sistema energético pueden reducir las emisiones de gases de efecto invernadero y mejorar la calidad del aire simultáneamente y, en muchos casos, también pueden aumentar la seguridad energética. [181] Según el IPCC, tanto la fijación de precios explícita del carbono como las políticas específicas de energía complementarias son mecanismos necesarios para limitar el calentamiento global a 1,5 ° C. [182]
Los impuestos sobre el carbono proporcionan una fuente de ingresos que puede utilizarse para reducir otros impuestos [183] o para ayudar a los hogares de ingresos más bajos a afrontar mayores costos de energía. [184] Los impuestos al carbono se han enfrentado a un fuerte retroceso político en algunas jurisdicciones, mientras que las políticas energéticas específicas tienden a ser políticamente más seguras. [185] A partir de 2019, los precios del carbono cubren aproximadamente el 20% de las emisiones mundiales de gases de efecto invernadero. [186]
Históricamente, los programas y regulaciones de energía específica han sido los pilares de los esfuerzos para reducir las emisiones de combustibles fósiles. [185] Algunos gobiernos se han comprometido a establecer fechas para eliminar las centrales eléctricas de carbón , poner fin a la exploración de nuevos combustibles fósiles , exigir que los nuevos vehículos de pasajeros produzcan cero emisiones y que los nuevos edificios se calienten con electricidad en lugar de gas. [187] En varios países se han promulgado normas sobre carteras de energías renovables que exigen que las empresas de servicios públicos aumenten el porcentaje de electricidad que generan a partir de fuentes renovables. [188] [189]
Los gobiernos pueden acelerar la transformación del sistema energético liderando el desarrollo de infraestructura como redes de distribución eléctrica, redes inteligentes y tuberías de hidrógeno. [190] En el transporte, la infraestructura y los incentivos adecuados pueden hacer que los viajes sean más eficientes y menos dependientes del automóvil. [181] La planificación urbana para desalentar la expansión puede reducir el uso de energía en el transporte local y los edificios al tiempo que mejora la calidad de vida. [181]
La escala y el ritmo de las reformas políticas que se han iniciado a partir de 2020 son mucho menores de lo necesario para cumplir los objetivos climáticos del Acuerdo de París. [191] [192] Los gobiernos pueden hacer que la transición a la energía sostenible sea más factible política y socialmente al garantizar una transición justa para los trabajadores y las regiones que dependen de la industria de los combustibles fósiles para garantizar que tengan oportunidades económicas alternativas. [193] Además de las políticas nacionales, se requerirá una mayor cooperación internacional para acelerar la innovación y ayudar a los países más pobres a establecer un camino sostenible hacia el pleno acceso a la energía. [194]
Ver también
- Emisiones de gases de efecto invernadero durante el ciclo de vida de las fuentes de energía
- Economía baja en carbono
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