La transición energética a través de la electrificación: un componente clave para lograr las cero emisiones netas

La electrificación consiste en la transición de tecnologías y procesos que antes dependían de fuentes de energía no eléctricas, como los combustibles fósiles, a aquellos que funcionan con electricidad, idealmente generada a partir de fuentes renovables como la solar, la eólica y la hidroeléctrica. El principal beneficio de la electrificación es su capacidad para reducir las emisiones de gases de efecto invernadero (GEI).

Para alcanzar los objetivos de cero emisiones netas en el sector energético para el año 2050, es esencial aprovechar todas las medidas disponibles para reducir las emisiones de dióxido de carbono. La electrificación desempeña un papel esencial en ello, ya que se prevé que será la medida de reducción de carbono de mayor impacto en el sector entre 2030 y 2050, y la segunda más importante después de la energía eólica y la solar fotovoltaica (PV) entre 2022 y 2030. Asimismo, también será crucial para mantener el umbral de calentamiento de 1,5 °C establecido en el Acuerdo Climático de París antes de finales del siglo XXI.

La mayor parte de la reducción de emisiones lograda mediante la electrificación proviene de la transición de combustibles fósiles a fuentes de energía renovable y la mayoría de estas medidas se implementan con tecnologías que ya están disponibles y son escalables actualmente.

A fin de alcanzar la neutralidad de carbono, todos los sectores industriales deberán explorar varias vías en paralelo, incluidas las mejoras en la eficiencia, la captura y almacenamiento de carbono (CAC) y el uso de hidrógeno como combustible.

Para alcanzar los objetivos de cero emisiones netas establecidos a nivel global y regional, será necesario reducir las emisiones de GEI en los sectores del transporte, calefacción e industrial, que actualmente dependen de combustibles fósiles, un proceso que resultará caro y complejo. En las secciones que siguen a continuación se destacan las oportunidades clave de la transición energética en la industria.

Si bien los porcentajes específicos varían según la región, el transporte destaca en todos los casos como un factor significativo que contribuye a las emisiones de GEI, debido a su amplia dependencia de los combustibles fósiles. Aunque la electrificación de los vehículos eléctricos ligeros está aumentando, actualmente representa menos del 1 % de la energía total consumida en este sector, lo que resalta el enorme potencial de crecimiento tanto para estos vehículos como para los medianos y pesados.

Hoy en día, China, Europa y Estados Unidos poseen los mayores mercados de vehículos y vehículos eléctricos (VE), y China lidera las ventas de VE a nivel mundial, gracias a las sólidas políticas e incentivos gubernamentales y a la escasez del suministro interno de petróleo.

Los vehículos eléctricos deben hacer frente a varias externalidades negativas en el mercado, siendo las más significativas las barreras impuestas por una infraestructura de carga limitada y los altos costes iniciales, principalmente como consecuencia del elevado precio de las baterías. Con el aumento del número de vehículos eléctricos, las redes eléctricas locales pueden verse sometidas a un estrés como consecuencia de la mayor demanda de electricidad. No obstante, este problema puede mitigarse en cierta medida mediante la expansión estratégica de la capacidad de la red, aprovechando la generación de energía local con microrredes solares fotovoltaicas en ubicaciones específicas.

Los vehículos pesados plantean otros problemas adicionales. Así, por ejemplo, los altos requisitos de carga útil de los camiones plantean diferentes retos en el diseño de vehiculos electricos (VE), principalmente como consecuencia del elevado peso de las baterías. Además, los transportistas de larga distancia suelen recorrer cientos o miles de kilómetros por día, lo que puede verse dificultado por la necesidad de realizar paradas frecuentes y prolongadas, debido a las limitaciones de la infraestructura de recarga. Sin innovaciones que reduzcan los tiempos de carga y mejoren la relación energía-peso de las baterías, estos problemas limitan la capacidad de los vehículos eléctricos pesados para reemplazar la mayoría de las flotas actuales de camiones que utilizan combustibles fósiles. El coste total de propiedad también es un factor clave. Aunque los camiones eléctricos presentan unos menores costos operativos, la elevada inversión inicial necesaria puede representar una barrera para los transportistas.

Por otro lado, la electrificación no es viable en la industria de la aviación debido al inmenso peso que deberían tener las baterías necesarias para propulsar los aviones distancias que resulten productivas. En su lugar, esta industria está explorando el uso de biocombustibles sostenibles para la aviación, así como la optimización de las operaciones para reducir las emisiones.

Aunque los edificios ya emplean electricidad para la refrigeración, la iluminación y los equipos informáticos, todavía presentan oportunidades de mejora en los sistemas de calentamiento de agua y calefacción de espacios, muchos de los cuales aún dependen del propano, el gas natural o el diésel.

Durante décadas se han utilizado bombas de calor eléctricas para calentar y enfriar eficientemente hogares en climas moderados, pero estas no funcionan de forma eficaz a temperaturas bajo cero. Sin embargo, innovaciones recientes, como la tecnología de compresores con inversores de velocidad variable, permiten que estos sistemas funcionen de forma eficiente en climas mucho más fríos, incluso por debajo de los -12 °C.

Si bien las bombas de calor geotérmicas ofrecen una eficiencia incomparable, los elevados costes de capital necesarios para convertir unidades a gas natural pueden ser un obstáculo. A menudo, son las nuevas construcciones las que ofrecen las mejores posibilidades de electrificación, ya que de por sí ya implican una elevada inversión inicial. Además, el ahorro en los gastos operativos a lo largo del tiempo, junto con una menor huella de carbono, también puede justificar los gastos de capital adicionales en estas circunstancias.

En general, la electrificación de edificios mediante tecnología de bombas de calor, junto con una generación de electricidad más limpia, es una estrategia clave para alcanzar los objetivos climáticos.

Existe un gran potencial sin explotar en la electrificación de numerosos activos industriales que permitirá reducir la dependencia de los combustibles fósiles al combinarlo con la energía neta cero. El mayor potencial de la electrificación industrial radica en los procesos de calentamiento a baja temperatura, como el secado de alimentos, la producción de bebidas, el procesamiento de papel y la fabricación ligera. Esto incluye los procesos necesarios para generar calor hasta aproximadamente 400 °C.

Los mercados de bebidas pueden electrificar procesos que antes se realizaban con gas natural y combustible. Los procesos de fabricación que dependían de combustibles fósiles para calentar el agua y el vapor pueden utilizar equipos especializados, incluidos evaporadores mecánicos de recompresión de vapor, secadores de vapor y calderas eléctricas. Según estimaciones de expertos, más del 50 % de los combustibles fósiles utilizados en los procesos de fabricación podría ser reemplazado por electricidad, lo cual contribuiría significativamente a la transición energética.

El ritmo de electrificación de los procesos industriales que requieren altas temperaturas, de 1.000 °C (1.832 °F) , o superiores, depende del desarrollo de nuevas tecnologías eléctricas capaces de sustituir equipos con un amplio ciclo de vida en industrias como la siderurgia y la producción de cemento. Así, por ejemplo, se están desarrollando hornos de arco eléctrico que pueden reemplazar a los altos hornos tradicionales con unas emisiones significativamente menores.

El sector industrial en su conjunto emite gases de efecto invernadero (GEI) a través de diversas vías complejas. Esto incluye tanto las emisiones indirectas (provenientes de la electricidad generada con combustibles fósiles) como las directas (resultantes de la combustión de estos combustibles y la generación de energía in situ), además de los subproductos y fugas de GEI. La electrificación puede disminuir las emisiones de todas estas fuentes, aunque los costes iniciales y operativos tienden a ser más elevados.

Cualquier debate sobre electrificación debe incluir las baterías y su tecnología . Las baterías son esenciales en la transición energética, especialmente en el ámbito del transporte eléctrico y el almacenamiento a gran escala, ya que pueden estabilizar el suministro de fuentes de energía intermitentes como la solar y la eólica. Asimismo, también permiten la generación de energía móvil para dispositivos y sistemas, sustituyendo pequeños generadores, plantas estáticas y equipos móviles.

Recientemente, han surgido nuevos diseños de baterías y se han producido avances en la ciencia de los materiales que permiten mejorar su química y la eficiencia. Las baterías de iones de litio suelen ser las baterías más utilizadas, ya que ofrecen una elevada eficiencia y una larga vida útil en comparación con otros materiales. Estas baterías han aprovechado las economías de escala y actualmente son la tecnología dominante para el almacenamiento a gran escala en la red.

Una batería está formada por un ánodo, un cátodo, un separador, un electrolito y dos colectores de corriente: positivo y negativo. El ánodo y el cátodo almacenan el litio, mientras que el electrolito transporta iones de litio cargados positivamente desde el ánodo al cátodo, y viceversa, a través del separador. El movimiento de los iones de litio crea electrones libres en el ánodo, lo que provoca una carga en el colector de corriente positiva. A continuación, la corriente eléctrica fluye desde el colector de corriente a través del dispositivo que se alimenta hasta el colector de corriente negativa. El separador impide el flujo de electrones en la batería y, a la vez, permite el paso de los iones de litio.

La principal ventaja de las baterías, tanto para los vehículos eléctricos como para la red, es su capacidad para aceptar, almacenar y liberar electricidad bajo demanda, de forma similar a la hidroelectricidad de bombeo.

Si bien las baterías ofrecen beneficios en la electrificación, también plantean nuevos retos relacionados con las materias primas necesarias para su producción. El abastecimiento responsable de minerales para baterías es una prioridad de la agenda mundial sobre sostenibilidad y es que es fundamental garantizar que la extracción de estos materiales se realice con un socio confiable en soluciones para baterías. 

Al igual que la mayoría de las baterías, las de los vehículos eléctricos están compuestas principalmente por minerales de transición energética (MTE), también conocidos como “minerales críticos”. Actualmente, la mayoría de las baterías de vehículos eléctricos son de iones de litio y contienen cantidades variables de MTE, incluyendo el litio, el cobalto, el níquel y el grafito. A diferencia de los vehículos de gasolina, que dependen de la extracción y quema continua de combustibles fósiles, muchos de estos materiales pueden reutilizarse y reciclarse en la economía circular. Los motores de los vehículos eléctricos y los imanes permanentes de las turbinas también precisas otros elementos de tierras raras, como, por ejemplo, el cobre.

Las cadenas de suministro sostenibles deben mejorar continuamente la trazabilidad de estos materiales. Los fabricantes de baterías pueden beneficiarse de la vasta experiencia de empresas como Endress+Hauser para respaldar iniciativas de auditoría y certificación de instrumentación

Disponer de la información adecuada y de comparaciones transparentes sobre los costes, la viabilidad tecnológica y las implicaciones ambientales es esencial para poder tomar decisiones sobre la electrificación. Sin embargo, con demasiada frecuencia, esta información o bien incompleta o bien no se dispone de ella. Sin embargo, a la hora de tomar decisiones sobre la implementación de soluciones convencionales o electrificadas, los clientes de muchas industrias no suelen ser conscientes o están mal informados sobre estas implicaciones, así como sobre la disponibilidad de incentivos gubernamentales.

Afortunadamente, la electrificación y otras tecnologías de bajas emisiones de carbono se están expandiendo y son más accesibles en los mercados industriales y de consumo. Esta tendencia está siendo impulsada por los avances tecnológicos y las economías de escala. Para alcanzar el objetivo de cero emisiones netas, las empresas y los gobiernos deben seguir asumiendo y respaldando compromisos de sostenibilidad, aprovechando la electrificación y otros métodos para reducir las emisiones de dióxido de carbono en los sectores del transporte, la calefacción y la industria.