Tecnologías para un desarrollo sostenible (página 2)

En los últimos años se han tomado varias
iniciativas colectivas para tratar de contener la
generación de ciertos residuos especialmente perjudiciales
para el medio ambiente, como el protocolo de Montreal para la
eliminación de los clorofluorocarburos (CFC), compuestos
responsables de la destrucción de la capa de ozono, y los
acuerdos derivados de la conferencia de Río sobre el Medio
Ambiente y el Desarrollo y reuniones posteriores, principalmente
el protocolo de Kyoto para la reducción de emisiones de
gases de efecto invernadero, responsables del calentamiento de la
Tierra.

La consecución de la sostenibilidad resulta
difícil a causa del carácter holístico de
este concepto, que no solamente afecta geográficamente a
todo el planeta, sino que implica múltiples facetas de la
actividad humana: industria, economía, materias primas,
actividad urbana, nivel de desarrollo, etc.

Por ello la búsqueda de soluciones resulta compleja y
solamente se llegará a ellas por aproximaciones sucesivas,
con la participación de especialistas de áreas muy
diversas: científicos, ingenieros, economistas,
sociólogos, etc.

La generación de energía, la producción
de residuos y el consumo de materias primas para la
fabricación de bienes, están directamente
relacionados con los problemas mencionados y con la
consecución del desarrollo sostenible. A
continuación se analiza primeramente la situación
actual de la producción de energía y las
previsiones sobre su evolución futura, que permiten
examinar en qué forma pueden alcanzarse las condiciones
que requiere el desarrollo sostenible, principalmente mediante el
uso de tecnologías más eficaces.

Finalmente se comentarán como ejemplo algunas mejoras
en la tecnología química que contribuyen a la
reducción del consumo de materias primas, a la
obtención de productos más eficaces y a la
generación de menores cantidades de residuos.

ENERGÍA

La producción y transformación artificial de
energía distingue a la especie humana de las restantes
especies vivas y ha sido una constante desde épocas
pretéritas para lograr en primer lugar unas condiciones de
vida más confortables y posteriormente para facilitar los
desplazamientos y producir masivamente bienes en la industria.
Como consecuencia de la creciente demanda, la generación
de energía es responsable de un agotamiento de algunas
materias primas esenciales (combustibles fósiles), de una
buena parte de la modificación de las condiciones
ambientales (gases de efecto invernadero, contaminación de
la atmósfera) y de la generación de un volumen
considerable de residuos, algunos de ellos de difícil
gestión.

Consumo de energía

La demanda de energía ha crecido continuamente, muy
particularmente desde la aparición de las sociedades
urbanas, aunque el cambio más notable ha tenido lugar
durante los dos últimos siglos, asociado con la
revolución industrial. Así, como se muestra en la
Figura 1, se ha pasado de un consumo de unos 40
GJ/(hab.año) en el siglo XV a unos 120 GJ a finales del
siglo XIX, estimándose que hoy se superan los 300 GJ en
los países más avanzados, lo que equivale a
alrededor de 8 toneladas equivalentes de petróleo (tep)
por habitante y año.

Figura 1. Evolución del consumo
de energía per cápita

Figura 2. Variación del consumo
de energía primaria y el producto interior bruto mundiales
entre 1971 y  1997.

El consumo está fuertemente unido al desarrollo
económico. En la Figura 2 se representa el consumo mundial
de energía primaria, expresado como Mtep, frente al
producto interior bruto total, expresado en G$ (1990) corregido
por la paridad de poder de compra (ppc) , para el periodo
1970-1997. Se aprecia como el consumo de energía se
correlaciona con el PIB, aumentando continuamente a
excepción de dos pequeñas discontinuidades
coincidentes con las crisis energéticas de 1973 y 1982, en
las que se produjo un fuerte incremento en los precios del
petróleo.

En este mismo sentido, el consumo de energía y los
efectos derivados de él, como la emisión de
dióxido de carbono, son muy dispares entre los
países o regiones del mundo, en función del nivel
de desarrollo. En la Tabla 1 se muestran datos para algunos
países y regiones del mundo, referidos a 1997. Los
países desarrollados, que forman parte de la OCDE, que
representan menos del 20 % de la población mundial,
consumen el 58 % de la energía primaria y emiten 54 % del
dióxido de carbono que se incorpora a la
atmósfera.

Varias organizaciones (Naciones Unidas, Agencia Internacional
de la Energía) llevan a cabo estudios periódicos
para estimar la evolución futura del consumo
energético. Aunque estas evaluaciones están muy
fundamentadas también están sometidas a
múltiples factores imprevisibles, de tipo político
o económico, que pueden modificar sustancialmente los
resultados. Por esta razón, estos estudios incluyen
frecuentemente varios escenarios para predecir el consumo total y
de cada tipo de energía primaria.

Tabla 1. Consumo energético, emisiones de
dióxido de carbono, PIB y población en diferentes
países y regiones económicas.

Figura 3. Evolución del PIB por
habitante en varias regiones del mundo.

En un reciente estudio de la Agencia Internacional de la
Energía se predice la evolución del consumo de
energía hasta el año 2020. El crecimiento de la
población, que se estima pasará de los 6000
millones actuales a 7400 (28 % de aumento), unido al de la
economía, que se refleja en los datos estimados para el
PIB por habitante en diferentes regiones del mundo que se
muestran en la Figura 3, permiten evaluar el consumo de
energía primaria en 2020 en 13500 Mtep,  un 57 %
superior al correspondiente a 1997. El crecimiento más
acusado tendrá lugar en China y en los países menos
desarrollados, especialmente Latinoamérica, que
pasarán de consumir 34 % del total en 1997 a 45 % en 2020.
Por su parte, los países de la OCDE reducirán su
participación del 54 al 44 %.

En la Tabla 2 se muestra la distribución actual y
prevista para 2020 de las diferentes fuentes de energía
primaria. Los combustibles fósiles seguirán
constituyendo la base del consumo, con más del 80 % del
total. El incremento del consumo previsto se sustenta sobre todo
en el gas natural y en el petróleo. También se
incrementan a más del doble las energías
renovables, pero representando todavía una fracción
reducida del total (6 %). En cuanto a la energía nuclear,
se prevé incluso un ligero descenso, admitiendo que se
mantienen las políticas de los países desarrollados
respecto a esta energía, que hasta la fecha mostraban una
tendencia hacia la paralización de la construcción
de nuevas centrales.

Sin embargo, recientemente se detecta un cambio en dicha
tendencia, apoyado principalmente en el argumento de la nula
aportación de gases de efecto invernadero por las
centrales nucleares, de modo que si se construyeran nuevas
centrales podría incrementarse la producción de
energía sin incumplir los objetivos de los acuerdos de
Kyoto.

En la misma tabla se incluye una previsión de los
precios de los combustibles fósiles. Para el año
2020 se pronostica un incremento del precio del petróleo y
del gas natural, que contempla en el primer caso la mayor
dificultad de extracción, al agotarse progresivamente los
yacimientos más accesibles y ser necesaria la
explotación de yacimientos marinos situados en aguas cada
vez más profundas.

Tabla 2. Fuentes de energía
primaria.

Figura 4. Emisiones de dióxido de
carbono.

Por último, en la Figura 4 se muestra la
evolución prevista para las emisiones de dióxido de
carbono, con un crecimiento superior al 50 % respecto a los
niveles de 1990, debido sobre todo a la expansión que
experimentarán las economías de los países
en desarrollo.

Acciones en el sector
energético encaminadas hacia un desarrollo
sostenible

Son numerosas las propuestas políticas o
tecnológicas encaminadas a contribuir a un desarrollo
sostenible, bien tratando de controlar el consumo de ciertas
formas de energía (principalmente la procedente de los
combustibles fósiles), bien reduciendo la intensidad
energética (consumo de energía por unidad de
PIB) o la intensidad de carbono o de dióxido de
carbono (kg de C ó CO2 emitidos por kWh generado).

Entre las primeras se encuentra el protocolo de Kyoto,
dirigido al control de las emisiones de gases de efecto
invernadero, acuerdo político que implica tanto acciones
encaminadas a la reducción del consumo como acciones
tecnológicas orientadas bien a la mejora del rendimiento
de los sistemas de generación de energía basados en
los combustibles fósiles (sustitución de
combustibles, aumento del rendimiento termodinámico en los
sistemas de generación de energía eléctrica)
o a la utilización de energías renovables.

También, se encuentran en fase de desarrollo nuevas
tecnologías que pueden contribuir a la
 sostenibilidad, entre las que mencionaremos las pilas de
combustible y la energía nuclear de fusión.

El Protocolo de Kyoto

El Protocolo de Kyoto surge como un compromiso global para
reducir las emisiones de los gases de efecto invernadero
responsables del calentamiento global del planeta. Es un
magnífico ejemplo, junto con el protocolo de Montreal
referente a la prohibición de los gases CFC responsables
de la destrucción de la capa de ozono, de los intentos
para abordar los problemas globales

que afectan al desarrollo sostenible, y también de las
dificultades que surgen al intentar aplicarlo.

El origen del protocolo está en la Conferencia de
Río (1992) sobre el Medio Ambiente y el Desarrollo,
promovida por las Naciones Unidas. En ella se establece un
Convenio Marco sobre el Cambio Climático (CMCC) que da
lugar a varias Conferencias para definir las medidas que pueden
adoptarse para corregir las tendencias observadas en el clima. En
Kyoto se celebra en 1997 la tercera conferencia entre las partes,
seguida posteriormente por otras en Buenos Aires, La Haya y muy
recientemente en Marraquech.

En resumen, el protocolo pretende reducir la emisión de
los seis gases principales responsables del efecto invernadero:
dióxido de carbono (el más importante por su
relación directa con los combustibles fósiles),
metano, óxido nitroso, clorofluorocarburos,
perfluorocarburos y hexafluoruro de azufre, fijando como primer
objetivo que en 2000 se mantuvieran los niveles de emisión
de 1990, objetivo incumplido por la mayor parte de los
países desarrollados (solo los países del Este,
debido a su recesión económica, han tenido
reducciones reales de emisión). Asimismo, para el periodo
2008-2012 se fija una reducción global del 5,2 % en las
emisiones, respecto a las de 1990, en los países
desarrollados incluidos en el Anexo I del protocolo.

La UE 15 ha aceptado en la última reunión una
reducción conjunta del 8 %. En el caso de España,
por su menor desarrollo dentro de la Unión, se le permite
incrementar sus emisiones en un 15 % respecto al nivel de
1990.

Existe un fuerte debate por parte de los países
más desarrollados para evitar reducciones
drásticas, que van desde la negativa de Estados Unidos a
firmar el protocolo (ya aceptado por más de 160
países, entre ellos todos los de la UE 15), a la
búsqueda de fórmulas compensatorias como los cupos
de reducción, la compraventa de emisiones entre
países o la petición de compensaciones por parte de
los países productores de petróleo. Todo esto da
idea de la dificultad que entraña el desarrollo sostenible
en cuanto que supone reducciones en los estándares de vida
de los países desarrollados.

Sustitución de combustibles

La incidencia de los diversos combustibles fósiles
sobre el medio ambiente es muy diferente debido tanto a su
contenido variable de elementos específicos como el azufre
o el nitrógeno que dan lugar a contaminantes como los
óxidos de azufre o nitrógeno, como a la
proporción en que se encuentran los elementos propiamente
combustibles, carbono e hidrógeno.

La razón efectiva hidrógeno/carbono
(razón que tiene en cuenta además el contenido de
oxígeno) varía desde prácticamente cero en
la madera, combustible característico del periodo
preindustrial, a 0,4-0,8 en los carbones, 2 en los combustibles
líquidos derivados del petróleo (gasóleos,
gasolinas) y un valor máximo de 4 en el gas natural. De
este modo, el uso de combustibles fósiles ha evolucionado
en las dos últimas décadas hacia productos con una
proporción creciente de hidrógeno.

La disponibilidad actual de grandes cantidades de gas natural,
constituido mayoritariamente por metano, accesible desde los
yacimientos a través de redes de gaseoductos, permite
reducir las emisiones de dióxido de carbono por unidad de
energía producida, es decir, la intensidad de
dióxido de carbono, en un factor próximo a 2
respecto a los carbones y a 1,4 respecto a los combustibles
líquidos derivados del petróleo (gasolina y
gasóleo). Conviene además recordar que el gas
natural constituye, después del agua, la mayor reserva de
hidrógeno en el mundo. Por otra parte, el tratamiento a
que es sometido el gas natural antes de su uso elimina la mayor
parte del azufre y del nitrógeno, dando lugar así a
un combustible más limpio, en cuanto se refiere a la
contaminación de la atmósfera.

Mejora de rendimiento en la generación de
electricidad a partir de combustibles fósiles.
Cogeneración. Gasificación en ciclo
combinado.

La generación convencional de energía
eléctrica mediante la producción de vapor a partir
de combustibles fósiles (carbón, petróleo o
gas natural) y el accionamiento de un generador en una turbina de
vapor (Figura 5) presenta una eficiencia energética baja,
que con las mejoras introducidas en los últimos
años en las turbinas puede llegar al 39 % del contenido
energético total del combustible. En las últimas
décadas se han introducido dos variantes que permiten
mejorar el rendimiento energético global, además de
incorporar sistemas modernos de control de otros problemas
asociados, tales como la emisión de dióxido de
azufre o de óxidos de nitrógeno o la
generación de residuos sólidos: la
cogeneración de calor y electricidad y la
gasificación con ciclo combinado gas-vapor.

Los sistemas de cogeneración se basan en el
aprovechamiento del vapor que se utiliza en la industria como
agente de calefacción para la generación previa de
electricidad, que puede aplicarse para las necesidades internas
de la propia planta o bien, si existe excedente, incorporarse a
la red eléctrica. En la Figura 6 se muestra un esquema de
un sistema de cogeneración, donde a partir de un
combustible se genera vapor a alta presión en una caldera;
éste acciona una turbina para generar electricidad y el
vapor residual se emplea como agente de calefacción. Los
sistemas de cogeneración alcanzan eficiencias
próximas al 60 % y se han implantado profusamente en
industrias que requieren vapor en sus plantas, como es el caso de
las industrias químicas o alimentarias.

Por último, la gasificación en ciclo combinado
gas vapor aprovecha las mejoras alcanzadas en los últimos
años en el diseño de turbinas de gas,
principalmente debidas a los avances experimentados en la
industria aeronaútica. En la Figura 7 se muestra un
esquema de una planta de gasificación en ciclo combinado.
A partir de un combustible, que puede ser carbón, gas
natural, residuos sólidos o fracciones pesadas de
petróleo, por reacción con aire y vapor de agua en
un gasificador se obtiene un gas constituido por monóxido
de carbono e hidrógeno que actúa en una turbina de
gas, produciendo electricidad.

El gas se quema posteriormente y genera vapor, que acciona una
segunda turbina para producir cantidades adicionales de
electricidad. De este modo se consiguen eficacias
termodinámicas próximas al 45 %,
reduciéndose las emisiones de dióxido de carbono en
más de un 10 % y además, de forma muy notable, las
de óxidos de azufre y nitrógeno, gracias al
diseño avanzado de estas plantas para el control de dichos
contaminantes.

Figura 5. Esquema de una central
térmica convencional

Figura 6. Esquema de una planta de
cogeneración.

Energías
renovables

Las energías renovables, vinculadas directamente con la
energía recibida del Sol, fueron las utilizadas
primeramente por el hombre, sobre todo la asociada con la biomasa
(madera), y la hidráulica y la eólica para mover
artificios mecánicos (molinos, norias, etc.).

Son muchas las formas en que la energía radiante que
recibimos del Sol puede aprovecharse de forma directa o
indirecta: solar (térmica y fotovoltaica),
hidráulica, eólica, geotérmica, mareas,
olas, diferencias de temperatura en el océano o
biomasa.

Las energías renovables no consumen recursos naturales
de forma neta, y, salvo en la fase de construcción y
montaje de los equipos necesarios, son prácticamente
inocuas en cuanto a las emisiones de dióxido de carbono,
aunque no están exentas de otros efectos negativos sobre
el medio ambiente (impacto visual, alteración del habitat
de otras especies, etc.).

El potencial energético asociado con las fuentes
renovables es enorme; en la Tabla 3 se indican las cantidades
totales estimadas para cada una de las formas de energía,
así como las que se consideran potencialmente
aprovechables de forma económica, que representan siempre
una fracción muy pequeña del total. A pesar de ello
cubrirían sobradamente las necesidades energéticas
mundiales, que actualmente se cifran en 5 terawatios,
equivalentes a unas 10 Gtep/año.

Las características de las energías renovables
las sitúan como una de los principales instrumentos para
avanzar en la dirección del desarrollo sostenible. Sin
embargo, son varios los factores que dificultan su mayor
participación en el balance energético.

Tabla 3. Potencia total y aprovechable
de las energías       

renovables, teravatios.

Figura 8.Parque eólico

Entre ellos destacan su baja intensidad por unidad de
superficie, que obliga a una fuerte inversión de capital
inmovilizado, y su variabilidad, dependiente de los
fenómenos meteorológicos, que obliga a disponer
sistemas de acumulación y a redes de distribución
capaces de absorber aportaciones fluctuantes.

Desde el punto de vista de la situación de las
tecnologías para su aplicación, las energías
renovables pueden dividirse en tres grupos:

– Tecnología desarrollada: Hidráulica, Solar
térmica, Eólica, Combustión de biomasa,
Geotérmica (vapor).

– Tecnología en desarrollo: Centrales solares
térmicas, Solar fotovoltaica.

– Tecnología incipiente: Mareomotriz, Olas, Diferencia
de temperatura oceánica.

Las energías correspondientes al primer grupo permiten
actualmente producir electricidad con costes similares a los
correspondientes a los combustibles fósiles, tal como se
muestra en la Figura 8 para la energía eólica y
para la biomasa. Las energías en desarrollo están
experimentando avances muy notables, en particular la
fotovoltaica, una de las más prometedoras, ya utilizada
para aportar energía eléctrica en lugares
apartados. Su desarrollo y aplicación depende
 fundamentalmente de la tecnología y costes de
fabricación de láminas de silicio semiconductor.
Como se aprecia en la figura, los costes están
disminuyendo rápidamente, de modo que actualmente se
encuentran paneles comerciales con un coste de 4 $/kW instalado;
a pesar de ello, el coste de la electricidad generada es
aún elevado, estimándose que no serán
competitivos con otras formas de energía antes de 10-15
años.

También deben mencionarse las centrales solares
térmicas, basadas en la concentración de la
radiación en un colector mediante espejos o lentes. En el
colector un agente transmisor de calor, agua o sales
 fundidas, alcanza elevadas temperaturas y puede aplicarse
para la generación de electricidad por vía
convencional.

También es posible aplicar la energía solar
recibida para otros fines, como, por ejemplo, la
 promoción de reacciones de degradación de
contaminantes. En España existe una Plataforma Solar en
Almería, con una central solar de torre con una potencia
de 7 MW térmicos que permite generar vapor a 500ºC
para la producción de electricidad, así como otras
instalaciones que permiten llevar a cabo estudios de materiales y
procesos metalúrgicos o químicos.

La participación actual de las energías
renovables en el consumo total de energía es modesta,
entre 5-6 %, principalmente como energía hidráulica
y de la biomasa. Sin embargo, los países avanzados
programan incrementos notables para los próximos
años.

Así en la Tabla 4 se resume el Programa de
Energías Renovables en España para el periodo
1999-2010. Se prevé que las energías renovables
pasen de un 5,8 % del consumo total de energía primaria en
1999 al 12,3 % en 2010 (incluyéndose en estas cifras el
incremento previsto de un 18 % para el consumo total de
energía).

Las acciones principales se centran en la biomasa y en la
energía eólica, siendo ya muy notables las
realizaciones en este último caso.

Tabla 4. Plan nacional de
energías renovables 1999-2010.

Nuevas
tecnologías en la generación de
energía

La importancia de la energía en el mundo actual hace
que se inviertan sumas enormes para investigación y
desarrollo de todas las formas de energía, que incluyen
mejoras en la eficacia de los procesos comerciales ya existentes
y nuevos procesos, potencialmente aprovechables. Además de
las mejoras ya citadas en el rendimiento de los procesos
convencionales de generación

a partir de combustibles fósiles y de las
energías renovables, citaremos como ejemplo dos
tecnologías a las que se dedica un gran esfuerzo de I+D y
que presentan un diferente grado de avance: las pilas de
combustible y la energía nuclear de fusión. A ellas
podrían añadirse otras muchas, como el estudio de
la superconductividad, para mejorar el transporte o
aplicación de la electricidad o la magneto
hidrodinámica.

Pilas de combustible

Una pila de combustible es un dispositivo
electroquímico capaz de convertir directamente la
energía química contenida en un combustible en
energía eléctrica, sin pasar por una etapa
intermedia de combustión.

Con ello se logra una eficiencia energética muy
superior a la de los métodos convencionales de
generación de electricidad por vía térmica.
El proceso de una pila de combustible es similar al que tiene
lugar en las pilas y baterías convencionales,
diferenciándose principalmente en el tipo de reactivo (una
sustancia combustible en aquéllas) y en que las pilas de
combustible pueden operar con alimentación continua de los
reactivos (combustible y oxígeno) con la consiguiente
producción estacionaria de electricidad, a diferencia de
las pilas y baterías convencionales, que contienen una
cantidad limitada de reactivos y por tanto de energía
disponible.

Conocidas desde el siglo XIX, la tecnología de las
pilas de combustible progresó con rapidez impulsada por el
programa espacial de Estados Unidos, iniciado hace cuatro
décadas.

Básicamente, una pila de combustible consta de una
alimentación de combustible y comburente, de un
ánodo y un cátodo y de un electrolito que separa
ambos en cuyo conjunto se producen las reacciones
electroquímicas. El oxígeno del aire es el
comburente habitual. Sin embargo, son varios los combustibles
aplicables, bien de forma directa o indirecta: hidrógeno,
monóxido de carbono, amoniaco, hidrocarburos (metano,
fracciones petrolíferas) o metanol.

De todos ellos, el hidrógeno, y en algunos casos el
monóxido de carbono (pilas de carbonatos  fundidos)
son los únicos que pueden convertirse de forma eficaz en
el ánodo de las pilas, con los electrocatalizadores
actualmente disponibles. Algunos de los restantes combustibles,
como el metanol se han alimentado directamente a pilas de
combustible experimentales, aunque presentan todavía
deficiencias en cuanto a la eficacia de conversión.

Por ello, para su uso, han de transformarse previamente en
hidrógeno a través de un proceso de reformado, que
implica la instalación de un reactor catalítico
adicional.

Se han desarrollado diferentes tipos de pilas que se
diferencian tanto en el tipo de combustible (hidrógeno,
monóxido de carbono, amoniaco) como en el electrolito
(membranas poliméricas, carbonatos fundidos, alcalinas,
ácido fosfórico, óxidos
sólidos).  Como ejemplo, en la Figura 10 se muestra
el esquema de una pila de membrana polimérica, en la que
los electrodos, de carbón activado conteniendo una
pequeña proporción de platino o de otros metales
nobles que intervienen como electrocatalizadores, están
unidos por una membrana de un polímero fluorado que
actúa como electrolito y permite el paso de los iones
entre los electrodos.

Figura 10. Esquema de una pila de
combustible de membrana polimérica.

Una de las principales ventajas de las pilas de combustible es
su elevada eficiencia energética con un aprovechamiento
eléctrico del 40-60 % del poder calorífico inferior
del combustible, según los tipos de pilas.

Además, en las pilas que operan a temperaturas elevadas
(carbonatos fundidos y óxidos sólidos) es posible
la recuperación de la energía perdida en forma de
calor, en sistemas de cogeneración, elevándose la
eficiencia global hasta el 60-80 %, considerablemente superior a
la de los procesos térmicos convencionales de
generación de electricidad, limitados en su eficacia por
el ciclo de Carnot.

Otros aspectos positivos son su limpieza, la ausencia de
partes móviles, la sencillez de operación y de
mantenimiento, y los bajos niveles de ruido y de emisiones, lo
que posibilita su   instalación en zonas
pobladas, próximas a los puntos de consumo, lo que reduce
además los costes de transporte y las pérdidas
durante el mismo. Los inconvenientes más notables son el
elevado coste inicial, los requerimientos de resistencia de
materiales y la elevada temperatura de trabajo que es necesaria
en algún caso (p. ej. en las pilas de carbonatos fundidos
o de óxidos sólidos, que requieren temperaturas de
600-650ºC y 900-1000ºC, respectivamente), y los
problemas asociados con el almacenamiento de hidrógeno
(recipientes a presión, criogénico,
formación de hidruros, adsorción) o la alternativa
ya mencionada de una etapa previa de reformado para la
preparación del hidrógeno, tal como se muestra en
la Figura 11, en la que se incluye también el inversor de
corriente necesario para la transformación de la corriente
continua proporcionada por la pila en corriente alterna.

Figura 11. Esquema de una pila de
combustible con los sistemas  de generación de
combustible y de transformación en corriente alterna.

Además de las aplicaciones en naves espaciales
tripuladas en submarinos, se han construido pilas de
demostración de varios tipos, con potencias variables
desde algunos kW hasta varios MW, para el accionamiento de
vehículos (automóviles, autobuses) o para la
producción de electricidad en  plantas localizadas de
uso individual o en centrales para la conexión a la red
eléctrica. También se ha ensayado a nivel
experimental la integración de pilas de combustible en
centrales térmicas de ciclo combinado para incrementar la
eficacia global de conversión en electricidad.

Las inversiones en I+D que realizan principalmente empresas
automovilísticas y de producción de energía
son muy cuantiosas, superando los 200 millones de dólares
anuales, teniendo como objetivo la aplicación a escala
comercial en automóviles y para la generación de
electricidad.

Los retos principales para alcanzar este objetivo se
encuentran en el abaratamiento de los costes del equipo, y el
incremento de la vida útil de las pilas, que alcanza ya
las 10000-50000 horas, según los tipos, en el desarrollo
de nuevos electrocatalizadores capaces de convertir directamente
metanol y otros

combustibles y en los métodos de almacenamiento de
hidrógeno.

Es previsible que se requieran todavía algunos
años para puedan implantarse a escala comercial tanto para
el accionamiento de vehículos terrestres como para la
producción de electricidad en plantas fijas.

Energía de fusión nuclear

La fusión nuclear, unión de núcleos de
elementos ligeros como el hidrógeno, para dar lugar a
otros núcleos de mayor masa, se considera como una fuente
de energía casi inagotable, dada la abundancia de
hidrógeno en la naturaleza. Por esta razón, casi
podría incluirse entre las energías renovables. La
fusión nuclear es el proceso que genera la energía
liberada en las estrellas y, en definitiva, la que posibilita la
vida en nuestro planeta. Su potencial es tan grande que
cuando

se dispusiera de la tecnología necesaria, se
podrían cubrir sin dificultad las necesidades
energéticas en los próximos siglos.

Además de disponerse de materia prima casi ilimitada,
la fusión nuclear presenta como ventajas frente a los
procesos de fisión empleados actualmente para la
obtención de energía su mayor seguridad, al no
depender el proceso de un tamaño crítico del
sistema, y que no se generan residuos de alta actividad.

El mayor obstáculo para su desarrollo radica en las
dificultades tecnológicas para llevarla a cabo, ya que se
requieren temperaturas del orden de decenas de millones de grados
para que los núcleos atómicos se encuentren en
estado de plasma, separados de los electrones, y posean
energía suficiente para vencer las fuerzas de
repulsión y alcanzar una concentración adecuada
para la fusión. Ningún material es capaz de
soportar esas temperaturas por lo que ha sido preciso desarrollar
métodos de confinamiento del material fusionable que no
requieren contacto físico con otros materiales
(confinamiento magnético o inercial) así como
procedimientos para la extracción de la energía
liberada en el proceso.

Se han logrado avances notables en grandes equipos
(tokamaks) construidos en Estados Unidos, Japón,
Rusia y la Unión Europea, formados por grandes anillos
toroidales en los que tiene lugar el confinamiento
magnético. Sin embargo, las inversiones necesarias han
sido tan elevadas que se ha acordado aunar los esfuerzos
construyendo una máquina única de gran
tamaño, el Reactor Termonuclear Experimental Internacional
(ITER), para tratar de alcanzar la ignición, es decir, la
generación en el proceso de una cantidad de energía
al menos igual a la que hay que aportar para lograr las
temperaturas mencionadas.

Apesar de estos avances, se prevé que la energía
de fusión no será comercial antes de la segunda
mitad del siglo XXI.

INDUSTRIA
QUÍMICA. LA QUÍMICA VERDE

La industria química utiliza muchas materias primas
naturales, algunas de ellas escasas, y genera productos
residuales que pueden ser tóxicos o peligrosos o dar lugar
a problemas de contaminación importantes en la
atmósfera, aguas o suelos.

Uniéndose a los movimientos de protección
medioambiental y de sostenibilidad, la industria química
ha adoptado iniciativas colectivas para reducir los impactos
sobre las materias primas y el medio ambiente, introduciendo
continuamente mejoras en la eficacia de los procesos, la
reducción de emisiones, la seguridad y la eficiencia
energética. Las primeras acciones de la industria para
reducir el impacto ambiental de su actividad consistieron en la
implantación de soluciones de "fín de
tubería", es decir, de tratamiento de los efluentes y
residuos para minimizar su efecto. Tras lograr avances notables
en esta dirección, la atención se ha desviado en
dos sentidos: por una parte, hacia el propio proceso,
modificándolo para aumentar su eficacia y obtener menos
residuos; por otra, hacia el seguimiento del producto fabricado o
posteriormente transformado en otros productos de consumo, hasta
que se convierte finalmente en un residuo o es reciclado, es
decir, analizando su ciclo completo de vida.

La investigación en el sector químico
también ha orientado sus líneas de trabajo en esta
misma dirección, ensayando nuevas vías de
síntesis que constituyan la base de procesos con menor
consumo de materias primas, más seguros, que den lugar a
menos subproductos o residuos y cuyos productos finales sean
también más seguros e inocuos. En los
últimos años se ha acuñado la
denominación de "Química Verde" para definir este
movimiento que trata de ser una contribución más
hacia un desarrollo sostenible.

Con esta denominación se han celebrado ya Simposios y
Congresos Internacionales y han aparecido nuevas revistas
científicas. Asimismo, se observa ya la
incorporación de este nuevo enfoque en los programas de
formación de los futuros profesionales. Algunos de los
principios y objetivos que persigue la química verde
son:

– Economía atómica: Los
métodos de síntesis deben diseñarse de modo
que los átomos presentes en las materias primas o
reaccionantes se incorporen en la mayor medida posible en los
productos finales de interés.

– Catálisis: Los procesos
catalíticos suelen ser más selectivos que los no
catalíticos, contribuyendo así a la economía
atómica. Asimismo, el uso de catalizadores permite aplicar
condiciones de operación más suaves.

– Uso de materias primas renovables: Contribuye
a evitar el agotamiento de materias primas.

– Diseño de productos químicos más
seguros: Para una finalidad dada deben seleccionarse o
diseñarse compuestos de menor toxicidad y cuya
utilización implique menos riesgos.

– Diseño de productos finales
degradables: Los productos deben diseñarse de modo
que al final de su vida útil sean fácilmente
degradables o reciclables, no persistiendo en el medio
ambiente.

– Incremento de la seguridad de los procesos y
productos: Reducción del riesgo de accidentes,
tanto en el proceso de producción como en el manejo de los
productos finales, incluyendo escapes, explosiones e
incendios.

– Empleo de disolventes y otras materias
auxiliaresmás seguros e inocuos: Tendencia a la
sustitución de los disolventes orgánicos,
generalmente tóxicos, inflamables y contaminantes, por
medios acuosos o por fluidos en condiciones
supercríticas.

– Reducción de las etapas de síntesis que
implican derivados para protección/desprotección de
grupos funcionales o modificación de propiedades:
Estas etapas, muy empleadas en síntesis orgánica,
suelen requerir el empleo de reaccionantes adicionales y
frecuentemente originan nuevos productos residuales.

– Mejora de la eficiencia energética:
Minimización de pérdidas, recuperación de la
energía, sistemas de cogeneración. Procesos que
operan en condiciones próximas a la temperatura y
presión ambientes.

– Mejora del control de procesos que permita un
análisis en tiempo real para evitar la
 contaminación: Detección de las
condiciones que pueden dar lugar a la aparición de
sustancias peligrosas para evitar su formación. Como
ejemplo de estas acciones se mencionan a continuación dos
tecnologías introducidas recientemente en la industria
química: la utilización de fluidos en condiciones
supercríticas y la catálisis asimétrica o
catálisis quiral.

Procesos que utilizan fluidos en condiciones
supercríticas.

Los fluidos supercríticos (fluidos que se encuentran a
temperatura y presión superiores a los valores
críticos) presentan unas propiedades bastante diferentes a
las que corresponden a los estados líquido y gas, que
resultan de gran interés para su aplicación en
ciertos procesos: entre ellas pueden destacarse la existencia de
una sola fase fluida, presentar densidades próximas a las
de los líquidos y la miscibilidad completa con compuestos
orgánicos. Los dos compuestos más adecuados para
lograr un medio en condiciones supercríticas son el
dióxido de carbono y el agua, a causa de su abundancia,
bajo coste, relativa inocuidad y buenas propiedades
críticas. Así, el dióxido de carbono
supercrítico (a temperatura y presión superiores a
31ºC y 72,9 bar, respectivamente) se utiliza para la
extracción de sustancias orgánicas contenidas en
sólidos, como aceites, esencias o aromas (p. ej.
descafeinado del café), sustituyendo a disolventes
orgánicos como el hexano o el tricloretileno, que se
empleaban anteriormente.

Asimismo, se aplica como medio para llevar a cabo reacciones
orgánicas en ausencia de otros  disolventes y
reacciones catalizadas por sólidos, en las que se facilita
la transferencia de materia y se reduce la desactivación
del catalizador. Además de su inocuidad, una vez
finalizado el proceso, el dióxido de carbono se recupera
con facilidad por simple reducción de la
presión.

Del mismo modo, el agua supercrítica (temperatura y
presión superiores a 374ºC y 222 bar,
 espectivamente) se emplea también como medio para
llevar a cabo reacciones orgánicas o para la
degradación por oxidación de contaminantes
complejos y refractarios a otros tratamientos, como los
policlorobifenilos (PCB"s), plaguicidas, propulsores de cohetes,
etc., que tiene lugar con gran  rapidez y que conduce a
productos finales inocuos.

Catálisis asimétrica o quiral

En los últimos años se ha dedicado gran esfuerzo
al desarrollo de un tipo especial de catalizadores altamente
selectivos denominados catalizadores asimétricos o
quirales por permitir la obtención preferente de uno de
los dos isómeros ópticos de un compuesto
quiral.

Los compuestos quirales son aquellos que contienen uno o
más átomos quirales (generalmente de carbono).
Átomo quiral es aquel que está unido a otros
átomos o grupos sustituyentes diferentes entre sí
(cuatro en el caso del carbono). Cuando una molécula
contiene un átomo quiral, presenta isomería
óptica o estereoisomería, ya que existen dos
isómeros que tienen iguales grupos atómicos pero
que no son superponibles, siendo uno de ellos la imagen especular
del otro, lo mismo que ocurre con las manos (el adjetivo quiral
deriva precisamente del griego cheir, mano).

Una de las propiedades que diferencian a los isómeros
ópticos es su acción sobre la luz polarizada, de
donde deriva el nombre de este tipo de isomería. Muchos
compuestos naturales son quirales; así ocurre con los
aminoácidos o los ácidos nucleicos. Además,
existe una selectividad natural hacia uno de los isómeros,
de modo que, por ejemplo, las proteínas están
formadas exclusivamente por L-aminoácidos, mientras que
los ácidos nucleicos solo presentan el isómero D.
También muchas moléculas con actividad
biológica, empleadas como fármacos o plaguicidas
son quirales y   solamente uno de los isómeros
ópticos es activo, siendo el otro inactivo e incluso, en
ocasiones, perjudicial. Un ejemplo dramático de la
relación entre actividad farmacológica y estructura
quiral fue la aplicación en los años sesenta de un
fármaco de propiedades sedantes, la talidomida, en su
forma racémica a mujeres embarazadas, dando lugar a
niños con malformaciones.

De los dos enantiómeros del compuesto, la R-talidomida
posee las propiedades sedantes mientras que el isómero S
fue el causante de las malformaciones. Los enantiómeros de
una sustancia quiral tienen propiedades químicas muy
similares, aunque pueden presentar algunas diferencias de
comportamiento; así el S-limoneno huele a limón,
mientras que su otro una sola fase fluida, presentar densidades
próximas a las de los líquidos y la miscibilidad
completa con compuestos orgánicos.

Los dos compuestos más adecuados para lograr un medio
en condiciones supercríticas son el dióxido de
carbono y el agua, a causa de su abundancia, bajo coste, relativa
inocuidad y buenas propiedades críticas. Así, el
dióxido de carbono supercrítico (a temperatura y
presión superiores a 31ºC y 72,9 bar,
respectivamente) se utiliza para la extracción de
sustancias orgánicas contenidas en sólidos, como
aceites, esencias o aromas (p. ej. descafeinado del café),
sustituyendo a disolventes orgánicos como el hexano o el
tricloretileno, que se empleaban anteriormente.

Asimismo, se aplica como medio para llevar a cabo reacciones
orgánicas en ausencia de otros disolventes y reacciones
catalizadas por sólidos, en las que se facilita la
transferencia de materia y se reduce la desactivación del
catalizador. Además de su inocuidad, una vez finalizado el
proceso, el dióxido de carbono se recupera con facilidad
por simple reducción de la presión.

Del mismo modo, el agua supercrítica (temperatura y
presión superiores a 374ºC y 222 bar,
respectivamente) se emplea también como medio para llevar
a cabo reacciones orgánicas o para la degradación
por oxidación de contaminantes complejos y refractarios a
otros tratamientos, como los policlorobifenilos (PCB"s),
plaguicidas, propulsores de cohetes, etc., que tiene lugar con
gran  rapidez y que conduce a productos finales inocuos.

Catálisis asimétrica o quiral

En los últimos años se ha dedicado gran esfuerzo
al desarrollo de un tipo especial de catalizadores
 altamente selectivos denominados catalizadores
asimétricos o quirales por permitir la obtención
preferente de uno de los dos isómeros ópticos de un
compuesto quiral.

Los compuestos quirales son aquellos que contienen uno o
más átomos quirales (generalmente de carbono).
Átomo quiral es aquel que está unido a otros
átomos o grupos sustituyentes diferentes entre sí
(cuatro en el caso del carbono).

Cuando una molécula contiene un átomo quiral,
presenta isomería óptica o estereoisomería,
ya que existen dos isómeros que tienen iguales grupos
atómicos pero que no son superponibles, siendo uno de
ellos la imagen especular del otro, lo mismo que  ocurre con
las manos (el adjetivo quiral deriva precisamente del griego
cheir, mano).

Una de las propiedades que diferencian a los isómeros
ópticos es su acción sobre la luz polarizada, de
donde deriva el nombre de este tipo de isomería. Muchos
compuestos naturales son quirales; así ocurre con los
aminoácidos o los ácidos nucleicos. Además,
existe una selectividad natural hacia uno de los isómeros,
de modo que, por ejemplo, las proteínas están
formadas exclusivamente por L-aminoácidos, mientras que
los ácidos nucleicos solo presentan el isómero D.
También muchas moléculas con actividad
biológica, empleadas como fármacos o plaguicidas
son quirales y solamente uno de los isómeros
ópticos es activo, siendo el otro inactivo e incluso, en
ocasiones, perjudicial. Un ejemplo dramático de la
relación entre actividad farmacológica y estructura
quiral fue la aplicación en los años sesenta de un
fármaco de propiedades sedantes, la talidomida, en su
forma racémica a mujeres embarazadas, dando lugar a
niños con malformaciones.

De los dos enantiómeros del compuesto, la R-talidomida
posee las propiedades sedantes mientras que el isómero S
fue el causante de las mal formaciones.

Los enantiómeros de una sustancia quiral tienen
propiedades químicas muy similares, aunque pueden
presentar algunas diferencias de comportamiento; así el
S-limoneno huele a limón, mientras que su otro
isómero, el R-limoneno, huele a naranja. Debido a su
semejanza química, cuando se  repara una sustancia
quiral por vía química ordinaria se obtiene una
mezcla equimolar de los dos isómeros ópticos,
denominada mezcla racémica. Sin embargo, las enzimas, los
catalizadores biológicos, no solo son capaces de
sintetizar compuestos en condiciones muy suaves de temperatura,
sino que además orientan la síntesis selectivamente
hacia uno de los isómeros, mediante la interacción
espacial de los centros activos de la enzima con los grupos
funcionales reactivos del sustrato, como se muestra
esquemáticamente en la Figura 12.

El comportamiento de las enzimas ha servido como modelo de
referencia en el conjunto de investigaciones llevadas a cabo en
las últimas décadas para conseguir la
síntesis de compuestos quirales mediante catalizadores
asimétricos basados en complejos organometálicos.
Precisamente, el premio Nobel de Química 2001 se ha
concedido a tres investigadores, W.S. Knowles, R. Noyori y B.
Sharpless, por sus aportaciones en el campo de la
catálisis asimétrica.

Los dos primeros llevaron a cabo en la década de los
años 60 estudios fundamentales sobre reacciones de
hidrogenación asimétrica que además
permitieron la implantación de procesos industriales que
han conducido a la fabricación de fármacos como el
naproxeno (antiinflamatorio de uso muy  extendido), la
L-Dopa, aminoácido esencial para el tratamiento de la
enfermedad de Parkinson, otros aminoácidos o
antibióticos como el carbapenem o la levofloxacina,
así como muchos otros compuestos como (-)-mentol, aromas o
feromonas.

Por su parte, Sharpless amplió las aplicaciones de la
catálisis quiral a las reacciones de oxidación para
la obtención de epóxidos y otros compuestos,
empleando catalizadores que contienen   elementos de
carácter oxidante, como el titanio, el osmio o el
manganeso.

También en este caso se han desarrollado procesos
industriales que permiten obtener compuestos de interés
con gran selectividad, como por ejemplo, derivados del glicidol,
que son punto de partida para la preparación de
fármacos bloqueantes.

Figura 12. Acción
estereoselectiva de un catalizador.

Aunque la acción de estos catalizadores es compleja, su
efecto se fundamenta en una estructura tridimensional
catalíticamente activa, que puede estar anclada sobre un
soporte, y que también contiene centros quirales, sobre la
cual los reaccionantes solo pueden combinarse en una
configuración espacial que conduce de forma preferente
hacia uno de los estereoisómeros.

Como ejemplo, en la Figura 13 se muestra la estructura del
catalizador de rodio unido a un complejo de difosfina quiral que
permitió a Knowles y sus colaboradores en la empresa
Monsanto la producción selectiva de un precursor quiral de
la L-Dopa (compuesto D en la figura) con un rendimiento superior
a 97 % por hidrogenación de una enamida.

Figura 13. Obtención
enantioselectiva de L-Dopa mediante un catalizador quiral de
rodio.

Las síntesis quirales tienen su principal
aplicación en química fina o farmaceútica, y
constituyen además un ejemplo de procesos de la denominada
"química verde", ya que requieren un menor consumo de
materias primas (aproximadamente 50 % inferior al correspondiente
a una síntesis no enantioselectiva) y evitan la
formación de una cantidad equivalente de subproductos o
residuos.

La industria farmacéutica se orienta decididamente en
esta dirección, siendo creciente la producción de
fármacos con estructura quiral en preparaciones que
contienen solamente el isómero activo. Se estima que en el
año 2000 un tercio de las ventas de fármacos
correspondió a formulaciones de este tipo.

CONSIDERACIONES
FINALES

El concepto de sostenibilidad ha surgido como una consecuencia
de los fuertes impactos que la actividad humana ha tenido sobre
las materias primas y sobre el medio ambiente, que se han
extendido a escala planetaria, con particular intensidad durante
la segunda mitad del siglo XX. Por su carácter, no resulta
fácil cuantificar la sostenibilidad o no sostenibilidad de
cualquier actuación humana, aunque se avanza con rapidez
en la definición de índices que permitan la medida
objetiva de los efectos. Así, en un reciente estudio se
cuantifica cómo hacia 1960 la demanda de recursos
naturales representaba un 70 por 100 de la capacidad regenerativa
del planeta; posteriormente

esta demanda se acelera, de modo que en 1999 la
explotación de recursos naturales supera en un 20 % la
capacidad de regeneración de la biosfera. De la misma
manera, se debate en ámbitos académicos cómo
deben incorporarse los conceptos relacionados con la
sostenibilidad

a la formación de los futuros titulados, que
serán los responsables de que en el futuro pueda
convertirse en realidad lo que actualmente es solo un
objetivo.

El aumento de la población mundial y el previsible
crecimiento económico, especialmente en zonas poco
desarrolladas del planeta, aseguran que la demanda de
energía y de otras materias primas no energéticas
continuará aumentando en las próximas
décadas, con la consiguiente producción de
residuos. Todos estos factores seguirán afectando
negativamente al entorno natural y harán difícil la
consecución de los objetivos de un desarrollo sostenible.
La mejora de la eficacia de los métodos de
producción de energía y de transformación de
materias primas, así como la introducción de nuevas
tecnologías que actúen en la misma
dirección, son los instrumentos que pueden contribuir de
forma eficaz a aproximarse a los objetivos de sostenibilidad, o,
al menos, a reducir la velocidad de  deterioro de los
recursos naturales y del medio ambiente.

BIBLIOGRAFÍA

1. A.E.M.A. (Agencia Europea del Medio Ambiente),
Medio ambiente en Europa: Segunda evaluación.
Ministerio de Medio Ambiente, Madrid, 2001.

2. AHLBERG, P. Catalytic asymmetric synthesis.
Advanced information on the Nobel Prize in Chemistry 2001. Royal
Swedish Ac. of Sciences, Estocolmo (2002).

3. ALLEN, D.T. y SHONNARD, D.R. (Eds.), Green
Engineering: Environmentally conscious design of Chemical
processes. Prentice Hall, Englewood Cliffs, New Jersey
(2001).

4. ANASTAS, P.T. y WARNER, J.C., Green Chemistry:
Theory and Practice. Oxford U.P., Nueva York (1998).

5. CHEN, N. Y., Energy in the 21st Century.
Chem. Innovation, 31(1), 15-20 (2001).

6. FORO NUCLEAR, Energía 2001. Madrid
(2001) .

7. GUTIéRREZ JODRA, L., En torno a la
energía. Real Academia de Ciencias, Madrid, 1997

8. INTERNATIONAL ENERGY AGENCY, World Energy Outlook
2000, Paris (2000).

9. KNOWLES, W. S., Asymmetric hydrogenations (Nobel
lecture). Angew. Chem. Int. Ed., 41 (12),

1998-2007 (2002).

10. KORDESCH, K.V. y TAMBASCO, J.C., Fuel Cells,
en Ullmann"s Encyclopedia of Industrial Chemistry (5ª
Ed.), Vol. 12. VCH, New York (1989).

11. NATTRASS, B. y ALTOMARE, M., The natural step
for business. New Society Pub. Gabriola Ild., B.C., Canada
(1998).

12. NOYORI, R., Asymmetric catalysis: Science and
opportunities (Nobel lecture). Angew. Chem. Int. Ed., 41
(12), 2008-2022 (2002).

13. RITTER, S.K. Green chemistry. Chem. Engng.
News, 79 (21) (16 jul) 27-34 (2001).

14. SHARPLESS, K.B., Searching for new reactivity
(Nobel lecture). Angew. Chem. Int. Ed., 41
(12),2024-2032 (2002).

Autor:

M. Sc. Javier Fernández Rey

Centro de Inmunología Molecular de La Habana,
Cuba.