Energia verda?

Es parla molt d’energia verda, però molts no sabem exactament què volem dir amb l’adjectiu verda. El 16 de juny de 2020, el periodista Enric Juliana va escriure un article a La Vanguardia on tractava amb entusiasme de l’hidrogen verd, i, encara que contenia alguns errors importants, crec que podia sensibilitzar el lector sobre l’ús del vector hidrogen i l’adjectiu verd. M’agradaria dedicar unes poques paraules a intentar descriure aquest adjectiu i demostrar que, des del punt de vista químic, encara som lluny del que en realitat volem dir.

Uns quants números inicials. La població mundial és, amb data el març del 2020, aproximadament de 7.800.000.000 habitants (arrodonint-ho, 8 × 109 habitants). Segons diversos escenaris, per al 2100 s’estima que la població mundial serà d’entre 7,3 i 15,6 bilions de persones. El 2017, la quantitat total d’energia disponible (energia primària) per als humans, mitjançant els mètodes usuals d’obtenir-la (sense comptar l’energia solar, vegeu-ho més avall), fou de 162.494 TWh (T = tera, 1012; Wh, unitat d’energia —o de treball— equivalent a 3.600 joules); per tant, de l’ordre de 6 × 1020 J.

«Disponible» no vol dir finalment consumida de manera útil. L’energia finalment consumida, de l’ordre del 70 %, va ser el 2017 de 113.009 TWh (els aproximadament 50.000 TWh de decalatge es perden pel camí, sobretot, per la segona llei de la termodinàmica, i per les actuacions d’extreure-la, de transportar-la, etc.). Una altra manera d’expressar l’energia és mitjançant unitats de Mteo (megatones equivalents de petroli), tenint en compte que 1 Mteo equival a 11,63 TWh (o 1 teo, aproximadament, són 4 × 1010 J). Hem d’entendre, també, que hi ha diferents qualitats d’energia depenent de la font: no és el mateix obtenir energia elèctrica d’un salt hidroelèctric que obtenir energia per combustió de combustibles fòssils (carbó, petroli, gas natural…). Així, de mitjana, cada humà, efectuant els càlculs corresponents, necessita diàriament una energia primària d’unes 0,005 teo, és a dir, uns 5 kg equivalents de petroli, o sigui, aproximadament 2 × 108 J. Les quilocalories necessàries diàriament per a sobreviure fent un exercici moderat són d’unes 2,5 × 103 kcal per habitant, és a dir, 10,5 × 106 J; la resta, aproximadament 1,9 × 108 J, es deu a l’entorn necessari per a viure (extracció de l’energia, extracció de matèria primera, agricultura, ramaderia, habitatge, transport…) per habitant i dia. Per tant, arrodonint-ho, cada habitant ha de disposar de 5 kg diaris d’equivalents de petroli. I, per posar un exemple d’oferta energètica, podem dir que l’energia solar que ens arriba en un any és de l’ordre de 3,9 × 1024 J.

D’on treu la humanitat l'energia?

Ancestralment hi ha hagut tres fonts d’energia fonamentals: l’energia animal (incloent-hi la dels humans), el foc (per combustió de fusta) i el vent. És a dir, dues energies químiques i una d’atmosfèrica (pluja —corrents d’aigua—, eòlica…; en el fons, energies procedents del Sol). Però, sense pensar encara en l’energia verda, les grans revolucions industrials, juntament amb el creixement demogràfic i productiu de la humanitat, s’han basat en tres fonts principals de vectors energètics (entre parèntesis, el consum en % referit a l’any 2020):

Salts d’aigua procedents d’embassaments artificials, energia gravitatòria; total, 7,7 %.

Combustió de material fòssil, energia química: carbó (26), petroli i derivats —propà, butà— (34) i gas natural (23); total, 83 %.

Fissió nuclear d’urani: centrals nuclears, energia nuclear mitjançant energia tèrmica (4,6).

La resta (4,6 %) es deu a renovables.

Aquests vectors es poden transformar fàcilment en electricitat gràcies a la recerca sobre l’electromagnetisme desenvolupada, entre els segles XVIII i XIX, per James C. Maxwell i d’altres, que va portar a la fabricació de dinamos. Aquests ginys converteixen l’energia mecànica en electricitat, que pot fluir fàcilment al llarg d’elements conductors; els embassaments proporcionen energia mecànica i, en darrer terme, electricitat (centrals hidroelèctriques).

La combustió de material fòssil —especialment, el carbó— va ser usada per mitjà de vapor d’aigua a pressió (James Watt, també, des del principi del segle XIX) per a moure màquines —per exemple, la locomotora o grans vaixells i ginys fabrils— i, en darrer terme, per a obtenir electricitat, etc. I, en el segle XX, l’energia de fissió nuclear pot proporcionar energia tèrmica en forma també de vapor d’aigua a pressió, que pot fer moure dinamos i generar electricitat.

Els derivats del petroli (gasolines, gasoil, hidrocarburs gasosos) tenen l’avantatge que, a banda de poder-los utilitzar com a combustible per a escalfar aigua, es poden emprar d’una manera directa i discrecional per a moure màquines (motors d’explosió en cotxes, camions o vaixells,) i escalfar habitacles, cuines, etc. La transformació entre si de totes les energies conegudes ha estat un dels avenços més importants dels segles XIX i XX. Tanmateix, aquestes transformacions deixen pel camí una sèrie de residus materials i entròpics que atempten contra el clima terrestre i, finalment, el benestar sanitari de la humanitat que les genera. No m’allargaré esmentant tots els inconvenients que comporten, però sí que en recordaré alguns:

a) L’ús dels materials fòssils augmenta fins a uns valors excepcionalment molt elevats els nivells de diòxid de carboni (CO2) de l’atmosfera, i d’altres entitats químiques, amb tot el que representa en el canvi climàtic i en la salut humana. Per a una exposició molt detallada sobre el tema de la contaminació, vegeu a YouTube el treball de torn de l’acadèmic doctor Xavier Querol exposat el 25 de març de 2021, disponible a la web de la RACAB.

b) L’extracció per mitjà de fracturació hidràulica (hydraulic fracking) del petroli i del gas natural retinguts i enxarxats en roques profundes és una barbaritat geològica i química pels adjuvants emprats.

c) Les centrals de fissió nuclear han donat lloc a grans trasbalsaments humanitaris i ecològics; i l’emmagatzematge dels residus radioactius és un problema encara no resolt.

d) La mateixa electricitat requereix metalls conductors (coure, alumini…) que s’han d’obtenir de menes (algunes, poc freqüents) i quasi sempre amb la despesa de fonts energètiques importants; i també n’és difícil l’emmagatzematge (xarxes elèctriques d’alt voltatge, estacions transformadores, reompliment d’embassaments per bombeig, bateries, etc.).

Energies renovables

Generalment s’entenen com a renovables les energies que no provenen dels combustibles fòssils ni de les centrals nuclears. Les energies hidroelèctriques, així com la solar, les eòliques, les mareomotrius i les geotèrmiques que acaben generant electricitat són realment les que es poden considerar típicament renovables, si bé no trobo particularment adequat l’ús d’aquest mot, ja que entenc que cal valorar la despesa energètica per aconseguir les tècniques i els instruments necessaris per a transformar l’energia primària en energia útil. Com que el problema més gran i vigent que tenim és l’augment del CO2 a l’atmosfera degut als combustibles fòssils, s’haurien de considerar només com a verdes o renovables aquelles energies que no depenguessin dels combustibles fòssils o que reciclessin el CO2 atmosfèric. Des de fa un bon nombre de dècades, l’energia solar i l’energia eòlica es poden considerar energies relativament verdes. L’hidrogen gas també es podria considerar una energia verda. En aquestes tres tecnologies m’esplaiaré una mica a continuació.

Energia solar

L’energia solar es pot usar directament per a generar electricitat gràcies a la tecnologia de l’efecte fotovoltaic (descobert al segle XIX, juntament amb l’efecte fotoelèctric). En el fotovoltaic es genera corrent elèctric intern en la cel·la, mentre que en l’efecte fotoelèctric la llum expulsa electrons. Les cel·les fotovoltaiques que s’utilitzen avui dia són de silici policristal·lí, d’altres semiconductors i, fins i tot, fotosensibilitzades amb colorants. La seva eficiència ha anat millorant amb els anys, des del 5 % inicial fins a eficiències entorn del 40 % en les últimes aparegudes al mercat (depenent del material semiconductor i de la unió simple del gap p-n o de la unió múltiple d’aquest gap). Les més recents es basen en perovskites (cel·les de Grätzel), les quals es fonamenten en estructures cristal·lines del tipus ABX3, on A i B són cations, i X, anions. Les més corrents eren, per exemple, CH3NH3PbI3, però, a causa de la toxicitat del plom, actualment són substituïdes per metalls com l’estany (Sn) i el germani (Ge), i amb fotosensibilitzadors com CsSnI3 —per exemple, CH3NH3GeI3/CsSnI3.

Com a inconvenients principals de l’energia solar, destaquen el preu dels semiconductors, la construcció, l’espai ocupat (camps solars per a tenir una bona insolació) i la durada limitada (uns dos anys).

Per esmentar només la despesa energètica per a construir cel·les fotovoltaiques, hem de pensar que el Si com a element no existeix a la natura. Per a obtenir Si policristal·lí (semiconductor amb gap p-n), primer cal reduir el SiO2 (molt abundant) en forns elèctrics en presència de carbó (temperatures de 1.800 a 2.000 °C) a polisilici impur (ferrosilici i/o SiC), fer reaccionar aquest amb Cl2 i purificar acuradament el SiCl4 resultant que després és tractat amb H2 a 1.250 °C:

SiCl4 +2H2 = Si (s) + 4HCl

Finalment, aquest silici pur s’ha de convertir per cristal·lització lenta en les oblies (wafer) usades per a fer les cel·les. Com es pot veure, es requereix molta despesa energètica (electricitat) per a construir semiconductors fotovoltaics eficients.

Per tant, es pot dir que és molt complicat que el món pretengui obtenir i basar-se únicament en l’energia solar per mitjà de plaques solars. Amb els avenços tecnològics actuals, l’energia solar és molt dispersa i entròpica per a poder-la fixar i convertir en electricitat d’alt voltatge, i abastir grans indústries i/o conurbacions. Tanmateix, pot ser útil per a immobles familiars o cases de camp.

Tot i així, com hem dit més amunt, el Sol ens proporciona anualment una energia molt per sobre de la consumida per la humanitat. Del Sol prové l’energia que empren les plantes verdes per a transformar el CO2 atmosfèric i el H2O en matèria orgànica mitjançant la funció clorofíl·lica. Vull referir-me, només de manera molt simple, a les reaccions primàries fotoquímiques: compostes per unes seqüències bifotòniques endotèrmiques en forma de dos fotosistemes (el fotosistema II i el fotosistema I). L’aigua s’oxida a O2 en el fotosistema II (una estructura proteica amb un grup prostètic que conté un cofactor de Mn) que dissocia el H2O en O2, H+ i electrons que són impulsats pendent energètic amunt fins al fotosistema I, on els protons i els electrons (de fet, com si fossin ions hidrur) redueixen el NADP+ a NADPH, que, a la vegada, entra en el cicle de Calvin per incorporar —reduint-lo— el CO2 en les seqüències d’hidrats de carboni i altres materials orgànics de les plantes verdes. És una forma molt sofisticada, però enormement efectiva, per realitzar de facto una fotòlisi de l’aigua en els elements de l’hidrogen i el O2, però aprofitant els elements de l’hidrogen per a reduir el CO2 integrant-lo a la planta (el H2, com a tal molècula, no es forma mai). De fet, avui en dia ens estem aprofitant del material orgànic fòssil (MOF) per a obtenir energia amb la reacció inversa:

MOF + O2 = CO2 +H2O + ΔH

fig 1

 

Podríem mimetitzar la natura i manipular l’hidrogen per a usar-lo directament com a combustible o per a reduir el CO2 en material combustible? Potser sí, però com obtenim hidrogen? L’atmosfera terrestre tenia molt hidrogen fa milers d’anys, però com que és un gas molt lleuger (té una massa molecular de 2), es va escapar cap a l’espai o es va fixar com a H2O… (les dues terceres parts de la superfície de la Terra són d’aigua!). L’aigua ha de ser, per tant, la font d’hidrogen. Les plantes verdes ho saben bé.

Hidrogen a partir de l’aigua.

Però també tenim hidrogen en els hidrocarburs. D’aquests és d’on primer es va obtenir hidrogen i, encara avui, n’és la font principal. Els combustibles fòssils, excepte el carbó, són fàcils de manipular i tenen una aplicació versàtil. El seu valor energètic depèn del contingut d’hidrogen: el carbó té una relació H:C d’1:1; el petroli, de 2:1; la gasolina, de 2,4:1, i el metà (o gas natural ric en aquest hidrocarbur), de 4:1.

Una possibilitat d’enriquir el carbó en valor energètic i convertir-lo en combustibles líquids o gasosos rau en la tecnologia denominada gasificació mitjançant el gas de síntesi (CO/H2) procedent de la reacció endotèrmica del C amb aigua i una ΔH = +119 kJ/mol, que és propulsada per combustió parcial de C en CO2, amb ΔH = -246 kJ/mol. Aquest gas de síntesi pot donar lloc, fàcilment, a metanol, que podria ser usat com a combustible i capdavanter de molts productes orgànics, per hidroformilació d’olefines per a produir aldehids, o bé, pel procediment de Fischer-Tropsch, per a obtenir hidrocarburs pesants (tipus dièsel) o lleugers (gasolines), segons la tecnologia i els catalitzadors utilitzats. En temps de guerres o entreguerres, algunes nacions usaven aquests procediments per a abastir-se de derivats del petroli.

Però aquest hidrogen té el cost de generar molt CO2; per tant, no el podem considerar verd. El gas de síntesi es pot obtenir també d’una manera similar a partir de metà o d’altres hidrocarburs lleugers. Generalment, l’hidrogen separat i purificat dels òxids de carboni és utilitzat en bona mesura per la important manufactura de l’amoníac (NH3):

N2 +3H2 = 2NH3 (síntesi de Haber)

Si no es vol emprar carboni o hidrocarburs per a generar hidrogen, s’ha de pensar a descompondre l’aigua per mitjà de mètodes verds, que es poden resumir en dos: la fotòlisi i l’electròlisi.

La fotòlisi, per a ser considerada verda, requereix la il·luminació amb fotons de la llum visible (solar) en presència de catalitzadors que mimetitzen la clorofil·la, i un coadjuvant, que es consumeix per fer possible la separació de càrregues, o sistemes acoblats en tàndem consistents en donadors i acceptors de càrrega amb un fotosensibilitzador intermedi:

fig 2

 

Aquesta possibilitat s’està estudiant des de fa molts anys i encara no ha estat completament reeixida dins el laboratori ni de manera industrialment efectiva. Als anys vuitanta, en un treball meu publicat al Butlletí de la Societat Catalana de Ciències, intitulat «Aspectes químics en l’aprofitament de l’energia solar», i, seguint treballs de l’investigador suís M. Grätzel, s’hi descrivia “A facile synthesis of Ru(bipy)3+2 complexes covalently bound to an insoluble polymer and its possible use in the decomposition of water” (Bosch et al., J. of Photochemistry, 17, 152, 1981). Els complexos de ruteni eren aleshores els més citats en la literatura. Després van venir altres fotosensibilitzadors, com el TiO2, de cadmi i zinc, de cobalt de vanadi, porfirines, etc., però cap no ha tingut un èxit clamorós.

L’electròlisi és més fàcil d’emprar. Consisteix a fer passar electricitat contínua per una solució d’aigua acidulada o alcalinitzada, de manera que en el càtode es genera hidrogen (H2) i en l’ànode, oxigen (O2), sempre que es faci amb un voltatge mínim d’1,23 volts, amb elèctrodes inerts adequats (per exemple, de platí o iridi) i amb una bona separació dels gasos obtinguts:

Reducció en el càtode: 4 H+(aq) + 4e → 2H2(g)

Oxidació en el ànode: 2 H2O(l) → O2(g) + 4 H+(aq) + 4e

És evident que per a aquesta obtenció cal electricitat, i aquesta energia, si la volem verda, només pot provenir d’energia hidroelèctrica o energia eòlica.

Energia eòlica

De manera simple, l’energia eòlica es basa en l’aprofitament del vent per a fer girar les aspes de molins gegants (250 m d’altura), estratègicament disposats en forma de parcs en contrades ventoses o al mar. L’energia cinètica corresponent es converteix en electricitat per mitjà de dinamos.

Els inconvenients que té són, fonamentalment, tres: econòmics —pel cost inicial que representa—; ecològics —envers els ocells i els peixos—, i d’impacte visual —per exemple, recentment, a La Vanguarida 2021.03.31, hi ha una notícia en la qual s’informa de l’allunyament fins a catorze quilòmetres de la costa en relació amb un projecte de parc eòlic al cap de Creus. Constaria de setanta aerogeneradors, però, malgrat que podria cobrir el 90 % de la demanda energètica de tota la província de Girona, té l’oposició dels ajuntaments de l’Alt i del Baix Empordà; dels pescadors; de les associacions turístiques, empresarials i nàutiques; dels responsables de ports; etc.

L´hidrogen com a vector energètic.

L’hidrogen actualment és considerat com un vector energètic prometedor. De fet, la RACAB, a instància i direcció del professor Josep Castells, insigne acadèmic d’aquesta Acadèmia, traspassat el 2018, va organitzar la Setmana de l’Hidrogen, del 5 al 9 de maig de 2003, amb la presència de distingits ponents acadèmics i industrials que van enumerar tots els avantatges i les precaucions sobre l’ús de l’hidrogen. A la Biblioteca de l’Acadèmia es conserva tota la documentació d’aquesta Setmana i, també, la que el doctor Castells va recollir sobre el tema al llarg dels anys després d’aquest esdeveniment.

Comentaré només tres raons de la utilització del H2 que em semblen importants actualment.

a) Podria proporcionar per combustió directa energia tèrmica, per exemple, per a propulsar avions : H2 + ½ O2 = H2O ΔH = -285,5 kJ/mol

Hi ha molta recerca industrial sobre això, però encara no existeix cap model disponible comercialment. En aquest sentit, és interessant l’entrevista a Javier Gándara, director general d’EasyJet al sud d’Europa (La Vanguardia, 29 de març de 2021), que indica la possibilitat que aquesta tecnologia sigui possible cap al 2030.

b) Proporciona en cel·les de combustió (fuel cells) directament energia elèctrica i aigua. Aquestes cel·les es poden utilitzar en automòbils i autobusos sense emanació de gasos ni de partícules contaminants; o en energia elèctrica, que pot ser integrada a les xarxes públiques.
Una cel·la o pila de combustible és un dispositiu electroquímic que funciona a la inversa d’una cel·la d’electròlisi, de manera que converteix un combustible —per exemple, H2, penetrant per l’ànode— i un comburent —per exemple, O2 (aire), penetrant pel càtode, en generació d’un corrent elèctric.
Aquests dispositius ja són comercialment factibles. Per a ser usats àmpliament en vehicles, només calen punts de càrrega d’hidrogen i un lloc d’emmagatzematge segur del gas en el vehicle.

c) Es podria usar químicament per a reduir el CO2, procedent de la combustió de MOF, a metà (CH4).

Si bé es generen quantitats ingents de CO2 per combustió de MOF, existeixen mètodes per a emmagatzemar aquest gas (o bé extraient-lo de l’atmosfera, o millor encara, quan prové de determinats processos industrials, capturant-lo en forats geològics). En qualsevol cas, la reducció del CO2 amb H2 directament a CH4 seria un procés ecològicament renovable. Amb energia hidràulica i energia eòlica podríem generar electricitat verda; amb aquesta electricitat podríem dissociar aigua a H2, i amb aquest hidrogen verd podríem reduir el CO2, generat per la combustió de MOF, a gas natural molt més manejable que l’hidrogen, que podria entrar de nou a la cadena dels combustibles fòssils. Tanmateix, és factible aquesta reducció?

La reducció del CO2 a CH4 no és fàcil. És un procés lleugerament exotèrmic, amb una ΔH = -165 kJ/mol (unes 40 kcal), però amb una energia d’activació (Ea) bastant elevada (120 kJ/mol), que podria reduir-se fins a 74 kJ/mol, segons els catalitzadors usats fins ara. Per tant, cal que hi hagi un catalitzador més adient. Els últims esforços dels quals tinc coneixement per a fer més viable aquesta reacció són:

a) Un treball de Y. Sekine et al., de la Universitat de Waseda, Tòquio (Chem. Letters 49, 303, 2020, DOI 10.1246/cl.190930), que duen a terme la recció en presència d’un camp elèctric (EF) i un catalitzador de Ru/CeO2, amb rendiments bastant acceptables: la Ea baixa a 86,7 kJ/mol, sense EF, i a 12,5 kJ/mol, amb EF.

b) Un treball de B. Yao et al., de la Universitat d’Oxford (Nat. Commun., 11, 6395, 2020, DOI:10.1038/s41467-020-20214-z), en el qual descriuen un catalitzador eficient i econòmic basat en ferro, manganès i potassi que converteix el diòxid de carboni en combustible per jets amb rendiments de conversió del 38 % i una selectivitat d’hidrocarburs C8-C16 del 48 %.

De totes maneres, per a la manipulació de l’hidrogen amb una garantia de seguretat completa cal encara molta recerca: pensem que l’hidrogen liqua a -253 °C (20,4 K) i explota fàcilment a l’aire.

Energia de fusió.

Deixo per al final l’energia de fusió, que vindria a mimetitzar directament l’energia del Sol; és a dir, domesticar les transformacions nuclears que tenen lloc en l’astre rei del nostre sistema solar.

En fórmules simples, significa fer reaccionar el deuteri (2H) amb triti (3H) per proporcionar heli (4He) més un neutró (1n), reacció exotèrmica de 17,6 MeV, però amb una energia d’activació molt gran.

Malgrat que s’hi estan esmerçant molts diners i recerca (per exemple, el projecte ITER a Cadarache, França, en el qual participen moltes nacions, entre les quals Espanya; o el projecte LIFE —Laser Inertial Fusion Energy— als Estats Units d’Amèrica), l’energia necessària perquè la reacció tingui lloc, i en temps molt curts, és encara superior a la que es pot extreure d’aquests projectes de reactors.

Emplaço els col·legues de la Secció 2a a escriure sobre l’estat actual d’aquesta qüestió i, també, els de la Secció 4a a parlar sobre la bioenergia en forma d’èsters d’àcids grassos o d’etanol.

Conclusió.

No vull ser pessimista, però crec que encara som molt lluny d’una energia verda. Cal treballar-hi fortament, ja que, si se’m permet un joc de paraules, l’objectiu final encara està molt verd.

Nota: Les dos figures estan extretes de “Wikipedia commons”

 



Joan Jofre

Secció de Química (3a). Especialitat: Química orgànica
 
Powered by Joomla! ©