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Energía sostenible

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Energía sostenible
Visión general
Conservación energética
Energía renovable
Transporte sostenible

La energía sostenible es un principio en el que el uso humano de la energía "satisface las necesidades del presente sin comprometer la capacidad de las generaciones futuras para satisfacer sus propias necesidades".[1]​ Otra definición de energía sostenible es que se consume a tasas insignificantes en comparación con su suministro y con efectos colaterales manejables, especialmente efectos ambientales. Las estrategias de energía sostenible generalmente tienen dos pilares: métodos más limpios de producción de energía y conservación energética.

Las tecnologías de energía sostenible se implementan para generar electricidad, calentar y enfriar edificios, y para alimentar los sistemas de transporte y las máquinas. Cuando se hace referencia a los métodos de producción de energía, el término "energía sostenible" a menudo se usa de manera intercambiable con el término "energía renovable". En general, las fuentes de energía renovable, como la energía solar, la energía eólica, la energía geotérmica y la energía mareomotriz, se consideran en general fuentes de energía sostenible. Sin embargo, la implementación de proyectos particulares de energía renovable, como la represa de ríos para generar hidroelectricidad o la tala de bosques para la producción de biocombustibles, a veces plantea importantes preocupaciones de sostenibilidad. Existe una considerable controversia sobre si la energía nuclear puede considerarse sostenible.

Los costos de las fuentes de energía sostenibles han disminuido enormemente a lo largo de los años y continúan disminuyendo. Cada vez más, las políticas gubernamentales efectivas apoyan la confianza de los inversionistas y estos mercados se están expandiendo. Se está logrando un progreso considerable en la transición energética de los combustibles fósiles a los sistemas ecológicamente sostenibles, hasta el punto en que muchos estudios apoyan la Energía renovable 100%.

El principio organizador para la sostenibilidad es el desarrollo sostenible, que incluye los cuatro dominios interconectados: ecología, economía, política y cultura.[2]​ La ciencia de la sostenibilidad es el estudio del desarrollo sostenible y la ciencia ambiental.[3]​

Definiciones

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El concepto de desarrollo sostenible fue descrito por la Comisión Mundial sobre Medio Ambiente y Desarrollo en su libro Nuestro futuro común de 1987.[4]​ Su definición de "sostenibilidad", que ahora se usa ampliamente, era:

"El desarrollo sostenible debe satisfacer las necesidades del presente sin comprometer la capacidad de las generaciones futuras para satisfacer sus propias necesidades".[4]​

En su libro, la Comisión describió cuatro elementos clave de sostenibilidad con respecto a la energía: la capacidad de aumentar el suministro de energía para satisfacer las crecientes necesidades humanas, la eficiencia y conservación de la energía, la salud y seguridad públicas y la "protección de la biosfera y la prevención de Formas más localizadas de contaminación".[5]​ Desde entonces, se han ofrecido varias definiciones de energía sostenible que también se basan en los tres pilares del desarrollo sostenible, a saber, el medio ambiente, la economía y la sociedad.

  • Los criterios ambientales incluyen las emisiones de gases de efecto invernadero, el impacto en la biodiversidad y la producción de desechos peligrosos y emisiones tóxicas.
  • Los criterios económicos incluyen el costo de la energía, si la energía se entrega a los usuarios con alta confiabilidad y los efectos en los trabajos asociados con la producción de energía.
  • Los criterios socioculturales incluyen la prevención de guerras sobre el suministro de energía (seguridad energética) y la disponibilidad de energía a largo plazo.[6]​

Como ninguna fuente de energía cumple con estos criterios a la perfección, las fuentes de energía sostenible son sostenibles solo en comparación con otras fuentes. La inexistencia de fuentes de energía perfectas significa que promover un uso eficiente de la energía es esencial para las estrategias de energía sostenible.[6]​

La energía verde es la energía que se puede extraer, generar y/o consumir sin ningún impacto negativo significativo para el medio ambiente. El planeta tiene una capacidad natural para recuperarse, lo que significa que la contaminación que no supera esa capacidad todavía puede denominarse verde. Representa aquellos recursos de energía renovable y tecnologías que proporcionan el mayor beneficio ambiental. La Agencia de Protección Ambiental de Estados Unidos define el poder verde como la electricidad producida a partir de energía solar, eólica, geotérmica, biogás, biomasa y de hidroeléctricas pequeñas de bajo impacto.[7]​

Fuentes de energía renovable

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Artículo principal: Energía renovable

Cuando se hace referencia a fuentes de energía, los términos "energía sostenible" y "energía renovable" a menudo se usan indistintamente, sin embargo, los proyectos particulares de energía renovable a veces plantean importantes preocupaciones de sostenibilidad. Las tecnologías de energía renovable son contribuyentes esenciales para la energía sostenible, ya que generalmente contribuyen a la seguridad energética mundial, reduciendo la dependencia de los recursos de combustibles fósiles,[8]​ y brindando oportunidades para mitigar los gases de efecto invernadero.[8]​ Se han realizado diversos trabajos de análisis de costo-beneficio realizados por una gran variedad de especialistas y agencias para determinar las vías más baratas y rápidas para descarbonizar el suministro de energía del mundo, y el tema es de gran controversia, en particular sobre el papel de la energía nuclear.[9]​[10]​[11]​[12]​[13]​

Hidroelectricidad

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Artículo principal: Energía hidráulica

Entre las fuentes de energía renovable, las plantas hidroeléctricas tienen la ventaja de ser de larga duración: muchas de las plantas existentes han operado por más de 100 años. Además, las centrales hidroeléctricas son limpias y tienen pocas emisiones. Las críticas dirigidas a las centrales hidroeléctricas a gran escala incluyen: la dislocación de las personas que viven donde se planifican los reservorios y la liberación de cantidades significativas de dióxido de carbono durante la construcción e inundación del reservorio.[14]​

Las represas hidroeléctricas son una de las fuentes de energía sostenible más desplegadas.

Sin embargo, se ha encontrado que las altas emisiones se asocian solo con reservorios poco profundos en lugares cálidos (tropicales), y las innovaciones recientes en la tecnología de turbinas, está permitiendo el desarrollo eficiente de proyectos hidroeléctricos de bajo impacto en la corriente del río.[15]​ En general, las plantas hidroeléctricas producen emisiones de gases de efecto invernadero mucho más bajas que otros tipos de generación.

La energía hidroeléctrica, experimentó un intenso desarrollo durante el crecimiento de la electrificación en los siglos XIX y XX, está experimentando un resurgimiento de su desarrollo en el siglo XXI. Las áreas de mayor crecimiento hidroeléctrico son las economías en auge de Asia. China es el líder del desarrollo; sin embargo, otras naciones asiáticas están instalando la energía hidroeléctrica a un ritmo rápido. Este crecimiento está impulsado por un aumento en los costos de energía, especialmente por la energía importada, y por los deseos generalizados de generación más doméstica, limpia, renovable y económica.

Presa hidroeléctrica en sección transversal

Geotermia

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Una de las muchas plantas de energía en The Geysers, un campo geotérmico en el norte de California, con una producción total de más de 750 MW.

Las tecnologías en uso para la producción geotérmica incluyen centrales de vapor seco, centrales de vapor flash y centrales de ciclo binario. La generación de electricidad geotérmica se usa actualmente en 24 países, mientras que la calefacción geotérmica se usa en 70 países.[16]​ Los mercados internacionales crecieron a una tasa promedio anual del 5 por ciento durante los tres años hasta 2015, y se espera que la capacidad de energía geotérmica global alcance los 14.5–17.6 GW en 2020.[17]​

Se considera que la energía geotérmica es una fuente de energía sostenible y renovable porque la extracción de calor es pequeña en comparación con el contenido de calor de la Tierra.[18]​ Las emisiones de gases de efecto invernadero de las estaciones eléctricas geotérmicas son en promedio 45 gramos de dióxido de carbono por kilovatio-hora de electricidad, o menos del 5 por ciento de la de las plantas de carbón convencionales.[16]​ Como fuente de energía renovable para energía y calefacción, la energía geotérmica tiene el potencial de satisfacer el 3-5% de la demanda mundial para el 2050. Con incentivos económicos, se estima que para 2100 será posible satisfacer el 10% de la demanda global.[19]​

Biomasa

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Las briquetas de biomasa se utilizan cada vez más en el mundo en desarrollo como una alternativa al carbón vegetal. La técnica implica la conversión de casi cualquier materia vegetal en briquetas comprimidas que típicamente tienen alrededor del 70% del valor calorífico del carbón vegetal. Hay relativamente pocos ejemplos de producción de briquetas a gran escala. Una excepción está en Kivu del Norte, en el este de la República Democrática del Congo, donde la tala de bosques para la producción de carbón vegetal se considera la mayor amenaza para el hábitat del gorila de montaña. El personal del Parque nacional Virunga ha capacitado y equipado con éxito a más de 3500 personas para producir briquetas de biomasa, reemplazando así el carbón vegetal producido ilegalmente dentro del parque nacional y creando un importante empleo para las personas que viven en la pobreza extrema en las zonas afectadas por conflictos.[20]​

Biocombustible

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Información sobre la bomba, California

Brasil tiene uno de los programas de energía renovable más grandes del mundo, que involucra la producción de etanol combustible a partir de la caña de azúcar, y el etanol ahora proporciona el 18 por ciento del combustible automotriz del país. Como resultado de esto, junto con la explotación de las fuentes de petróleo de aguas profundas domésticas, Brasil, que hace años tuvo que importar una gran parte del petróleo necesario para el consumo doméstico, alcanzó la autosuficiencia petrolera completa.[21]​[22]​[23]​

La mayoría de los autos que circulan en los Estados Unidos pueden funcionar con mezclas de hasta un 10% de etanol, y los fabricantes de vehículos motorizados ya producen vehículos diseñados para funcionar con mezclas de etanol mucho más altas. Ford, DaimlerChrysler y GM se encuentran entre las compañías que venden automóviles, camiones y minivans de "combustible flexible" que pueden usar gasolina y mezclas de etanol, desde gasolina pura hasta un 85% de etanol (E85). A mediados de 2006, había aproximadamente seis millones de vehículos compatibles con E85 en las carreteras de los Estados Unidos.[24]​

Los biocombustibles pueden definirse como "renovables", pero pueden no ser "sostenibles" debido a la degradación del suelo. A partir de 2012, el 40% de la producción de maíz estadounidense se destina al etanol. El etanol ocupa un gran porcentaje del "Uso de energía limpia" cuando, de hecho, aún es discutible si el etanol debe considerarse como una "Energía limpia".[25]​

Según la Agencia Internacional de Energía, las nuevas tecnologías de bioenergía (biocombustibles) que se están desarrollando hoy en día, especialmente las biorrefinerías de etanol celulósico, podrían permitir que los biocombustibles desempeñen un papel mucho más importante en el futuro de lo que se pensaba anteriormente.[26]​ El etanol celulósico se puede obtener a partir de materia vegetal compuesta principalmente de fibras de celulosa no comestibles que forman los tallos y ramas de la mayoría de las plantas. Los residuos de cultivos (como los tallos de maíz, la paja de trigo y la paja de arroz), los residuos de madera y los residuos sólidos municipales son fuentes potenciales de biomasa celulósica. Los cultivos energéticos dedicados, como la hierba de cambio, también son fuentes prometedoras de celulosa que pueden producirse de manera sostenible en muchas regiones de los Estados Unidos.[27]​

Viento

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En Europa, en el siglo XIX, había unos 200.000 molinos de viento, un poco más que los aerogeneradores modernos del siglo XXI.[28]​ Se utilizaban principalmente para moler el grano y bombear agua. La era de los motores de vapor impulsados por carbón reemplazó este uso temprano de la energía eólica.

Energía eólica: capacidad instalada mundial[29]​

Algunas de las energías renovables de segunda generación, como la energía eólica, tienen un alto potencial y ya han tenido costos de producción relativamente bajos. A fines de 2008, la capacidad de los parques eólicos en todo el mundo era de 120,791 megavatios (MW), lo que representó un incremento del 28.8 por ciento durante el año,[30]​ y la energía eólica produjo aproximadamente el 1.3% del consumo mundial de electricidad.[31]​

La energía eólica representaba en 2006 aproximadamente el 20% del uso de electricidad en Dinamarca, el 9% en España y el 7% en Alemania, la capacidad eólica instalada en la UE es principalmente offshore (alta mar) y llegó a 14,6 GW en 2021 y se espera que aumente al menos 25 veces para 2030, utilizando el gran potencial de las 5 cuencas marinas de la UE.[32]​

La capacidad total acumulada de generación eólica de electricidad instalada en todo el mundo ha aumentado rápidamente desde entonces y, a fines de 2020, asciende a 733 GW. Desde 2010, más de la mitad de toda la nueva energía eólica se agregó fuera de los mercados tradicionales de Europa y América del Norte, principalmente impulsada por el continuo auge en China, India, Brasil, Vietnam entre otros países.Para 2020 los 10 mayores productores se pueden apreciar en la tabla a seguir:[33]​[34]​
[35]​

Mayores productores en energía eólica (MW) - 2020
Pos. País 2020
1 Bandera de la República Popular China China  281.993
2 Bandera de Estados Unidos Estados Unidos 117.744
3 Bandera de Alemania Alemania 62.184
4 Bandera de la India Índia 38.559
5 Bandera de España España 27.089
6 Bandera del Reino Unido Reino Unido 24.665
7 Bandera de Francia Francia  17.382
8 Bandera de Brasil Brasil 17.198
9 Bandera de Canadá Canadá 13.577
10 Bandera de Italia Italia 10.839

Calefacción solar

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Los sistemas de calefacción solar son una tecnología de segunda generación bien conocida y generalmente consisten en colectores solares térmicos, un sistema de fluido para mover el calor del colector a su punto de uso, y un depósito o tanque para el almacenamiento de calor y su uso posterior. Los sistemas pueden usarse para calentar agua caliente doméstica, agua de piscinas o para calefacción de espacios.[36]​ El calor también se puede utilizar para aplicaciones industriales o como entrada de energía para otros usos, como equipos de refrigeración.[37]​ En muchos climas, un sistema de calefacción solar puede proporcionar un porcentaje muy alto (20 a 80%) de energía de agua caliente doméstica. La energía recibida del sol por la tierra es la de la radiación electromagnética. Rangos de luz de ondas visibles, infrarrojas, ultravioletas, de rayos X y de radio recibidas por la Tierra a través de la energía solar. El mayor poder de radiación proviene de la luz visible. La energía solar es complicada debido a los cambios en las estaciones y del día a la noche. La cubierta de nubes también puede aumentar las complicaciones de la energía solar, y no toda la radiación del sol llega a la Tierra porque se absorbe y dispersa debido a las nubes y los gases dentro de las atmósferas de la Tierra.[38]​

Bosquejo de un colector parabólico del canal

Las centrales térmicas solares han estado operando con éxito comercialmente en California desde fines de la década de 1980, incluyendo la planta de energía solar más grande de cualquier tipo, los Sistemas de Generación de Energía Solar de 350 MW. Nevada Solar One es otra planta de 64MW que se inauguró recientemente.[39]​ Otras centrales parabólicas que se están proponiendo son dos centrales de 50MW en España y una central de 100MW en Israel.[40]​

Electricidad solar

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11 MW planta de energía solar cerca de Serpa, Portugal 38°1′51″N 7°37′22″O / 38.03083, -7.62278

En la década de 1980 y principios de la década de 1990, la mayoría de los módulos fotovoltaicos proporcionaban suministro de energía de área remota , pero desde aproximadamente 1995, los esfuerzos de la industria se han centrado cada vez más en desarrollar edificios fotovoltaicos integrados y centrales eléctricas para aplicaciones conectadas a la red (consulte el artículo sobre centrales fotovoltaicas para más detalles). Actualmente, la planta de energía fotovoltaica más grande de América del Norte es la planta de energía solar de Nellis (15 MW).[41]​[42]​ Existe una propuesta para construir una central de energía solar en Victoria, Australia, que sería la central fotovoltaica más grande del mundo, con 154 MW.[43]​[44]​ Otras grandes centrales fotovoltaicas incluyen la planta de energía solar Girassol (62 MW),[45]​ y el Parque Solar Waldpolenz (40 MW).[46]​

Los grandes proyectos de investigación nacionales y regionales sobre la fotosíntesis artificial están diseñando sistemas basados en nanotecnología que utilizan la energía solar para dividir el agua en combustible de hidrógeno.[47]​ y se ha hecho una propuesta para un proyecto de fotosíntesis artificial global[48]​ En 2011, los investigadores del Instituto de Tecnología de Massachusetts (MIT) desarrollaron lo que denominan una "hoja artificial", que es capaz de dividir el agua en hidrógeno y oxígeno directamente de la energía solar cuando se cae en un vaso de agua. Un lado de la "Hoja Artificial" produce burbujas de hidrógeno, mientras que el otro lado produce burbujas de oxígeno.[49]​

La mayoría de las plantas de energía solar actuales están hechas de una serie de unidades similares donde cada unidad se ajusta continuamente, por ejemplo, con algunos motores paso a paso, para que el convertidor de luz permanezca en el foco de la luz solar. El costo de enfocar la luz en los convertidores, como los paneles solares de alta potencia, el motor Stirling, etc., puede reducirse drásticamente con una mecánica de cuerdas simple y eficiente.[50]​ En esta técnica, muchas unidades están conectadas con una red de cuerdas, de modo que tirar de dos o tres cuerdas es suficiente para mantener a todos los convertidores de luz enfocados simultáneamente a medida que cambia la dirección del sol.

Japón y China tienen programas nacionales destinados a la energía solar espacial (SBSP) a escala comercial. La Academia China de Tecnología Espacial (CAST) ganó el Concurso Internacional de Diseño de SunSat 2015 con este video de su diseño de articulación giratoria múltiple. Los defensores de SBSP afirman que la energía solar basada en el espacio sería limpia, constante y global, y podría escalar para satisfacer toda la demanda de energía planetaria.[19]​ Una reciente propuesta de la industria de varias agencias (que se hizo eco de la recomendación del Pentágono de 2008) ganó el Desafío de Innovación D3 (Diplomacia, Desarrollo, Defensa) de SECDEF / SECSTATE / USAID.[51]​

La Casa Solar # 1 del MIT, construida en 1939, utilizó el almacenamiento de energía térmica estacional (STES) para la calefacción durante todo el año.

Energía oceánica

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El primer generador de corriente de mareas comercial[52]​ del mundo , SeaGen , en Strangford Lough . La estela fuerte muestra la potencia en la corriente de marea.

Portugal tiene la primera granja comercial de olas del mundo, la Aguçadora Wave Park , en construcción en 2007 e inaugurada el 23 de septiembre de 2008. La granja utilizó tres máquinas Pelamis P-750 que tenían una expectativa de generar 2,25 MW.[53]​[54]​ y los costos se estimaban en 8,5 millones de euros. Debido a problemas técnicos en las máquinas Pelamis P-750, estas fueron devueltas al puerto de Leixões en noviembre de 2008. La financiación para una granja de olas en Escocia fue anunciada en febrero de 2007 por Scottish Executive, a un costo de más de 4 millones de libras , como parte de un paquete de financiamiento de 13 millones de libras para la energía oceánica en Escocia. La granja será la más grande del mundo con una capacidad de 3 MW generada por cuatro máquinas Pelamis.[55]​

En 2007, la primera turbina del mundo para crear cantidades comerciales de energía utilizando la energía de las mareas se instaló en los estrechos de Strangford Lough en Irlanda. El generador de electricidad de marea submarina de 1,2 MW aprovecha el rápido flujo de marea en el lago, que puede ser de hasta 4 m/s. Aunque el generador es lo suficientemente potente como para alimentar hasta mil hogares, la turbina tiene un impacto ambiental mínimo, ya que está casi completamente sumergida y los rotores giran lo suficientemente lento como para que no supongan ningún peligro para la vida silvestre.[56]​[57]​

Tecnologías habilitadoras para las energías renovables

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La energía solar y eólica son fuentes de energía intermitentes que suministran electricidad del 10 al 40% del tiempo. Para compensar esta característica, es común vincular su producción con la hidroelectricidad ya existente o la generación de gas natural. En regiones donde esto no está disponible, la energía eólica y solar pueden combinarse con una hidroelectricidad con almacenamiento por bombeo significativamente más costosa.

Las bombas de calor y el almacenamiento de energía térmica son clases de tecnologías que pueden permitir la utilización de fuentes de energía renovables que de otra forma serían inaccesibles debido a una temperatura demasiado baja para su utilización o un lapso de tiempo entre la disponibilidad de energía y cuándo se necesita. Al aumentar la temperatura de la energía térmica renovable disponible, las bombas de calor tienen la propiedad adicional de aprovechar la energía eléctrica (o en algunos casos, la energía mecánica o térmica) al usarla para extraer energía adicional de una fuente de baja calidad (como el agua de mar, agua de lago, el suelo, el aire, o el calor residual de un proceso).

Las tecnologías de almacenamiento térmico permiten que el calor o el frío se almacenen durante períodos de tiempo que van desde horas o durante la noche hasta la estación, y pueden implicar el almacenamiento de calor sensible (es decir, al cambiar la temperatura de un medio) o calor latente (es decir, a través de los cambios de fase de un medio, tal como entre el agua y el aguanieve o hielo). Los almacenamientos térmicos a corto plazo se pueden utilizar para la regulación de los máximos en sistemas de distribución eléctrica o calefacción urbana. Los tipos de fuentes de energía renovables o alternativas que se pueden habilitar incluyen energía natural (por ejemplo, recolectada a través de colectores solares térmicos, o torres de enfriamiento seco usadas para recolectar el frío del invierno), energía residual (por ejemplo, de equipos de HVAC, procesos industriales o centrales eléctricas), o excedentes de energía (por ejemplo, como estacionalmente de proyectos hidroeléctricos o intermitentemente de parques eólicos). La comunidad solar de Drake Landing (Alberta, Canadá) es ilustrativa. El almacenamiento de energía térmica permite a la comunidad obtener el 97% de su calor durante todo el año de los colectores solares en los techos de los garajes, que se acumulan en verano.[58]​[59]​ Los tipos de almacenaje para calor sensible incluyen tanques aislados, conglomerados de perforaciones en sustratos que van desde la grava hasta el lecho de roca, acuíferos profundos o pozos revestidos poco profundos que están aislados en la parte superior. Algunos tipos de almacenamiento son capaces de almacenar calor o frío entre temporadas opuestas (especialmente si son muy grandes), y algunas aplicaciones de almacenamiento requieren la inclusión de una bomba de calor. El calor latente generalmente se almacena en tanques de hielo o lo que se llama materiales de cambio de fase (PCM).

Fuentes de energía no renovables

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Véase también: Reactor de sal fundida

Existe una considerable controversia sobre si la energía nuclear puede considerarse sostenible. Algunas formas de energía nuclear (aquellas que son capaces de "quemar" desechos nucleares a través de un proceso conocido como transmutación nuclear, como un Reactor Rápido Integral, podrían pertenecer a la categoría de "Energía Verde").

Algunas personas, incluido el fundador y primer miembro de Greenpeace, Patrick Moore,[60]​[61]​[62]​ George Monbiot,[63]​ Bill Gates[64]​ y James Lovelock[65]​ han clasificado específicamente la energía nuclear como energía verde. Otros, incluido Phil Radford[66]​[67]​ de Greenpeace, están en desacuerdo y afirman que los problemas asociados con los desechos radiactivos y el riesgo de accidentes nucleares (como el desastre de Chernobyl) representan un riesgo inaceptable para el medio ambiente y la humanidad. Sin embargo, los diseños más nuevos de reactores nucleares son capaces de utilizar lo que ahora se considera "desecho nuclear" hasta que ya no sea (o dramáticamente menos) peligroso, y tienen características de diseño que minimizan en gran medida la posibilidad de un accidente nuclear. Estos diseños aún no se han comercializado.

Eficiencia energética

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Artículo principal: Eficiencia energética

Avanzar hacia la sostenibilidad energética requerirá cambios no solo en la forma en que se suministra la energía, sino también en la forma en que se utiliza, y es esencial reducir la cantidad de energía necesaria para entregar diversos bienes o servicios. Las oportunidades de mejora en el lado de la demanda de la ecuación de energía son tan ricas y diversas como las del lado de la oferta y, a menudo, ofrecen importantes beneficios económicos.[68]​

La energía renovable y la eficiencia energética a veces se dice que son los "pilares gemelos" de la política energética sostenible. Ambos recursos deben desarrollarse para estabilizar y reducir las emisiones de dióxido de carbono. La eficiencia ralentiza el crecimiento de la demanda energética, de modo que el aumento de los suministros de energía limpia puede hacer grandes recortes en el uso de combustibles fósiles. Si el uso de energía crece demasiado rápido, el desarrollo de energía renovable perseguirá un objetivo en retroceso. Un análisis histórico reciente ha demostrado que la tasa de mejoras en la eficiencia energética en general se ha visto superada por la tasa de crecimiento de la demanda de energía, que se debe a un crecimiento económico y demográfico continuo. Como resultado, a pesar de los aumentos de eficiencia energética, el uso total de energía y las emisiones de carbono relacionadas han seguido aumentando. Por lo tanto, dados los límites termodinámicos y prácticos de las mejoras de eficiencia energética, es esencial reducir el crecimiento de la demanda de energía.[69]​ Sin embargo, a menos que los suministros de energía limpia se conecten rápidamente, la desaceleración del crecimiento de la demanda solo comenzará a reducir las emisiones totales; también es necesario reducir el contenido de carbono de las fuentes de energía. Cualquier visión seria de una economía energética sostenible requiere compromisos tanto de energías renovables como de eficiencia.[70]​

La energía renovable (y la eficiencia energética) ya no son sectores especializados que solo son promovidos por gobiernos y ambientalistas. El aumento de los niveles de inversión y el hecho de que gran parte del capital proviene de actores financieros más convencionales, sugiere que las opciones de energía sostenible ahora se están convirtiendo en la corriente principal.[71]​

De acuerdo con un análisis de tendencias del Programa de las Naciones Unidas para el Medio Ambiente, las preocupaciones por el cambio climático, junto con los altos precios del petróleo y el creciente apoyo gubernamental, están impulsando el aumento de las tasas de inversión en las industrias de energía sostenible. Según el PNUMA, la inversión global en energía sostenible en 2007 fue superior a los niveles anteriores, con $ 148 mil millones de dinero recaudado en 2007, un aumento del 60% en comparación con 2006. El total de transacciones financieras en energía sostenible, incluida la actividad de adquisición, fue de $ 204 mil millones.[72]​

Los flujos de inversión en 2007 se ampliaron y diversificaron, haciendo del panorama general una mayor amplitud y profundidad del uso sostenible de la energía. Los principales mercados de capital son "ahora totalmente receptivos a las compañías de energía sostenible, apoyadas por un aumento en los fondos destinados a la inversión en energía limpia".[72]​

Tecnología de red inteligente

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La red inteligente se refiere a una clase de tecnología que las personas utilizan para llevar los sistemas de suministro de electricidad de los servicios públicos al siglo XXI, mediante el control remoto y la automatización basados en computadora.[73]​ Estos sistemas son posibles gracias a la tecnología de comunicación bidireccional y el procesamiento informático que se ha utilizado durante décadas en otras industrias. Se están empezando a utilizar en redes eléctricas, desde centrales eléctricas y parques eólicos hasta consumidores de electricidad en hogares y empresas. Ofrecen muchos beneficios a las empresas de servicios públicos y a los consumidores, principalmente en grandes mejoras en la eficiencia energética en la red eléctrica y en los hogares y oficinas de los usuarios de la energía.[73]​

Energía verde y generación verde

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Una matriz de canalización solar es un ejemplo de energía verde.
Asiento público con panel solar integrado en Singapur: cualquiera puede sentarse y enchufar su teléfono móvil para realizar una carga gratuita

La energía verde incluye procesos energéticos naturales que se pueden aprovechar con poca contaminación. La energía verde es la electricidad generada a partir de fuentes de energía renovables.[74]​ Algunas definiciones también pueden incluir la energía derivada de la incineración de residuos.

Algunos han argumentado que aunque la energía verde es un esfuerzo encomiable para resolver el creciente consumo de energía en el mundo, debe ir acompañada de un cambio cultural que fomente la disminución del apetito energético en el mundo.[75]​

En varios países con acuerdos de transportistas comunes, los acuerdos de venta minorista de electricidad hacen posible que los consumidores compren electricidad ecológica (electricidad renovable) de su proveedor de servicios públicos o de un proveedor de energía ecológica.

Cuando se compra energía de la red eléctrica, la energía que llega al consumidor no necesariamente se generará a partir de fuentes de energía verde. La compañía local de servicios públicos, la compañía eléctrica o el grupo de energía estatal compran su electricidad a los productores de electricidad que pueden estar generando a partir de combustibles fósiles, fuentes de energía energía nuclear o renovable. En muchos países, la energía verde en la actualidad proporciona una cantidad muy pequeña de electricidad, que generalmente contribuye con menos del 2 al 5% al conjunto. En algunos estados de los EE. UU., los gobiernos locales han formado grupos regionales de compras de energía mediante el uso de Community Choice Aggregation y Solar Bonds para lograr una mezcla renovable del 51% o superior, como en la Ciudad de San Francisco.[76]​

Al participar en un programa de energía verde, un consumidor puede tener un efecto en las fuentes de energía utilizadas y, en última instancia, podría estar ayudando a promover y expandir el uso de energía verde. También están haciendo una declaración a los responsables políticos de que están dispuestos a pagar una prima de precio para respaldar la energía renovable. Los consumidores de energía verde obligan a las empresas de servicios públicos a aumentar la cantidad de energía verde que compran de la piscina (lo que reduce la cantidad de energía no verde que compran), o bien financian directamente la energía verde a través de un proveedor de energía verde. Si no hay suficientes fuentes de energía verde disponibles, la empresa de servicios públicos debe desarrollar otras nuevas o contratar a un proveedor de energía de terceros para proporcionar energía verde, lo que hace que se construya más. Sin embargo, no hay forma de que el consumidor pueda verificar si la electricidad comprada es "verde" o no.

En algunos países, como los Países Bajos, las compañías de electricidad garantizan la compra de una cantidad igual de "energía verde" que utilizan sus clientes de energía verde. El gobierno holandés exime a la energía verde de los impuestos sobre la contaminación, lo que significa que la energía verde no es más cara que la otra.

Sistemas locales de energía verde

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Un pequeño aerogenerador de eje vertical de tipo Quietrevolution QR5 Gorlov en Bristol, Inglaterra. Mide 3 m de diámetro y 5m alto, tiene una placa de características de 6,5 kW a la red.
Artículo principal: Microgeneración

Aquellos que no estén satisfechos con el enfoque de la red de terceros para la energía verde a través de la red eléctrica pueden instalar su propio sistema de energía renovable con base local. Los sistemas eléctricos de energía renovable, desde la energía solar a la eólica hasta incluso la energía hidráulica local, en algunos casos, son algunos de los muchos tipos de sistemas de energía renovable disponibles a nivel local. Además, para aquellos interesados en calentar y enfriar su vivienda mediante energía renovable, los sistemas de bombas de calor geotérmicas que aprovechan la temperatura constante de la tierra, que es de alrededor de 7 a 15 grados centígrados a unos pocos metros bajo tierra y aumentan considerablemente a mayores profundidades, son una opción del gas natural convencional y el petróleo. Además, en ubicaciones geográficas donde la corteza terrestre es especialmente delgada, o cerca de volcanes (como es el caso en Islandia ) existe el potencial de generar incluso más electricidad de lo que sería posible en otros sitios, gracias a un gradiente de temperatura más significativo en estos lugares.

La ventaja de este enfoque en los Estados Unidos es que muchos estados ofrecen incentivos para compensar el costo de la instalación de un sistema de energía renovable. En California, Massachusetts y varios otros estados de EE. UU., un nuevo enfoque para el suministro de energía de la comunidad llamado Community Choice Aggregation ha brindado a las comunidades los medios para solicitar un proveedor de electricidad competitivo y utilizar bonos de ingresos municipales para financiar el desarrollo de recursos de energía verde locales. Por lo general, se asegura a las personas que la electricidad que están utilizando en realidad se produce a partir de una fuente de energía verde que controlan. Una vez que se paga el sistema, el propietario de un sistema de energía renovable producirá su propia electricidad renovable prácticamente sin costo y podrá vender el exceso a la empresa de servicios públicos local con una ganancia.

Usando energía verde

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Un molino de viento de 0,1 KiloWatt para uso doméstico

La energía renovable, después de su generación, debe almacenarse en un medio para su uso con dispositivos autónomos y vehículos. Además, para proporcionar electricidad doméstica en áreas remotas (es decir, áreas que no están conectadas a la red eléctrica principal), se requiere almacenamiento de energía para su uso con energía renovable. Los sistemas de generación y consumo de energía utilizados en este último caso suelen ser sistemas de energía autónomos.

Algunos ejemplos son:

Generalmente, sin embargo, la energía renovable se deriva de la red eléctrica principal. Esto significa que la mayor parte del almacenamiento de energía no se utiliza, ya que la red eléctrica principal está organizada para producir la cantidad exacta de energía que se consume en ese momento en particular. La producción de energía en la red eléctrica principal siempre se configura como una combinación de plantas de energía renovable (a gran escala), así como otras plantas de energía como plantas de energía de combustibles fósiles y energía nuclear. Sin embargo, esta combinación, que es esencial para este tipo de suministro de energía (como, por ejemplo, turbinas eólicas, plantas de energía solar, etc.) solo puede producirse cuando sopla el viento y brilla el sol. Este es también uno de los principales inconvenientes del sistema, ya que las centrales eléctricas de combustibles fósiles son contaminantes y son la causa principal del calentamiento global (la energía nuclear es una excepción). Si bien las plantas de energía de combustibles fósiles también se pueden hacer sin emisiones (a través de la captura y almacenamiento de carbono), así como renovables (si las plantas se convierten, por ejemplo, en biomasa), la mejor solución es eliminar las plantas de energía con el tiempo. Las plantas de energía nuclear también pueden ser más o menos eliminadas de su problema de desechos nucleares mediante el uso del reprocesamiento nuclear y las plantas más nuevas como plantas reproductoras rápidas y plantas de fusión nuclear.

Las plantas de energía de energía renovable proporcionan un flujo constante de energía. Por ejemplo, las plantas hidroeléctricas, las plantas térmicas oceánicas y las plantas de energía osmótica proporcionan energía a un ritmo regulado y, por lo tanto, son fuentes de energía disponibles en cualquier momento (incluso en la noche, momentos de viento, etc.). Sin embargo, en la actualidad, el número de plantas de energía renovable de flujo constante por sí solo es demasiado pequeño para satisfacer las demandas de energía en el momento del día en que las plantas de energía renovable de producción irregular no pueden producir energía.

Además de reducir el impacto de los combustibles fósiles y las plantas de energía nuclear, otra opción es la distribución y el uso inmediato de la energía de fuentes exclusivamente renovables. En esta configuración, el almacenamiento de energía tampoco es necesario. Por ejemplo, TREC ha propuesto distribuir energía solar desde el Sahara a Europa. Europa puede distribuir energía eólica y oceánica al Sahara y otros países. De esta manera, la energía se produce en cualquier momento dado como en cualquier punto del planeta a medida que el sol o el viento sube o las olas del océano y las corrientes se agitan. Sin embargo, esta opción probablemente no sea posible a corto plazo, ya que el combustible fósil y la energía nuclear siguen siendo las principales fuentes de energía en la red eléctrica principal y no será posible reemplazarlos de la noche a la mañana.

Se han hecho varias sugerencias de almacenamiento de energía a gran escala para la red. En todo el mundo hay más de 100 GW de hidroelectricidad de bombeo. Esto mejora la eficiencia y reduce las pérdidas de energía, pero la conversión a una red eléctrica de almacenamiento de energía es una solución muy costosa. Algunos costos podrían reducirse potencialmente haciendo uso del equipo de almacenamiento de energía que compra el consumidor y no del estado. Un ejemplo son las baterías en autos eléctricos que se duplicarían como un búfer de energía para la red eléctrica. Sin embargo, además del costo, establecer un sistema así sería un procedimiento muy complicado y difícil. Además, los aparatos de almacenamiento de energía 'como baterías de automóviles también están construidos con materiales que representan una amenaza para el medio ambiente (por ejemplo, Litio). La producción combinada de baterías para una parte tan grande de la población todavía tendría preocupaciones ambientales. Sin embargo, además de las baterías de automóviles, otros proyectos de almacenamiento de energía de Grid utilizan transportadores de energía menos contaminantes (por ejemplo, tanques de aire comprimido y almacenamiento de energía del volante).

Energía verde y etiquetado por región

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Unión Europea

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La Directiva 2004/8 / CE del Parlamento Europeo y del Consejo, de 11 de febrero de 2004, sobre la promoción de la cogeneración basada en una demanda de calor útil en el mercado interior de la energía[77]​ incluye el artículo 5 (Garantía de origen de la electricidad de alta cogeneración de la eficiencia).

Las ONG medioambientales europeas han lanzado una etiqueta ecológica para la energía verde. La ecoetiqueta se llama EKOenergy. Establece criterios de sostenibilidad, adicionalidad, información al consumidor y seguimiento. Solo una parte de la electricidad producida por fuentes renovables cumple con los criterios de EKOenergy.[78]​

En febrero de 2010 se lanzó un plan de certificación de suministro de energía verde en el Reino Unido. Esto implementa las pautas del Regulador de Energía, Ofgem , y establece requisitos de transparencia, la comparación de ventas por suministros de energía renovable y la adicionalidad.[79]​

Estados Unidos

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El Departamento de Energía de los Estados Unidos (DOE), la Agencia de Protección Ambiental (EPA) y el Centro de Soluciones de Recursos (CRS)[80]​ reconocen la compra voluntaria de electricidad de fuentes de energía renovables (también llamada electricidad renovable o electricidad verde) como poder verde.[81]​

La forma más popular de comprar energía renovable según lo revelado por los datos de NREL es a través de la compra de Certificados de Energía Renovable (REC). Según una encuesta del Instituto de Marketing Natural (NMI),[82]​ el 55 por ciento de los consumidores estadounidenses desea que las empresas aumenten su uso de energía renovable.[81]​

El DOE seleccionó seis compañías para sus Premios Green Power Supplier Awards 2007, entre ellos Constellation NewEnergy ; 3Degrees ; Planeta esterlina ; SunEdison ; Pacific Power y Rocky Mountain Power ; y Silicon Valley Power . La energía verde combinada proporcionada por esos seis ganadores equivale a más de 5 mil millones de kilovatios-hora por año, lo que es suficiente para alimentar a casi 465,000 hogares estadounidenses promedio. En 2014, Arcadia Power hizo que los RECS estuvieran disponibles para los hogares y las empresas en los 50 estados, permitiendo a los consumidores usar el "100% de energía verde", según lo define la Asociación de Energía Verde de la EPA.[83]​[84]​

La Asociación de Energía Ambiental de los Estados Unidos (USEPA, por sus siglas en inglés) Green Power Partnership es un programa voluntario que apoya la adquisición organizativa de electricidad renovable al ofrecer asesoramiento experto, asistencia técnica, herramientas y recursos. Esto puede ayudar a las organizaciones a reducir los costos de transacción de comprar energía renovable, reducir la huella de carbono y comunicar su liderazgo a los principales interesados.[85]​

En todo el país, más de la mitad de todos los clientes de electricidad de los EE. UU. ahora tienen la opción de comprar algún tipo de producto de energía verde a un proveedor minorista de electricidad. Aproximadamente una cuarta parte de las empresas de servicios públicos del país ofrecen programas de energía ecológica a los clientes, y las ventas minoristas voluntarias de energía renovable en los Estados Unidos totalizaron más de 12 mil millones de kilovatios-hora en 2006, un 40% más que el año anterior.

En los Estados Unidos, uno de los principales problemas con la compra de energía verde a través de la red eléctrica es la infraestructura centralizada actual que suministra electricidad al consumidor. Esta infraestructura ha conducido a caídas de tensión y apagones cada vez más frecuentes, altas emisiones de CO2 , mayores costos de energía y problemas de calidad de la energía.[86]​ Se invertirán $ 450 mil millones adicionales para expandir este sistema incipiente en los próximos 20 años para satisfacer la creciente demanda.[87]​ Además, este sistema centralizado se está sobrecargando aún más con la incorporación de energías renovables como la energía eólica, solar y geotérmica. Los recursos renovables, debido a la cantidad de espacio que requieren, a menudo se ubican en áreas remotas donde hay una menor demanda de energía. La infraestructura actual haría que el transporte de esta energía a áreas de alta demanda, como los centros urbanos, fuera altamente ineficiente y, en algunos casos, imposible. Además, a pesar de la cantidad de energía renovable producida o la viabilidad económica de tales tecnologías, solo un 20 por ciento podrá incorporarse a la red. Para tener un perfil energético más sostenible, los Estados Unidos deben avanzar hacia la implementación de cambios en la red eléctrica que se adapten a una economía de combustible mixto.[88]​

Se están proponiendo varias iniciativas para mitigar los problemas de distribución. En primer lugar, la forma más efectiva de reducir las emisiones de CO2 de EE. UU. y el lento calentamiento global es a través de los esfuerzos de conservación. Los opositores de la red eléctrica actual de los EE. UU. también han abogado por la descentralización de la red. Este sistema aumentaría la eficiencia al reducir la cantidad de energía perdida en la transmisión. También sería económicamente viable, ya que reduciría la cantidad de líneas eléctricas que deberán construirse en el futuro para satisfacer la demanda. La fusión del calor y la energía en este sistema crearía beneficios adicionales y ayudaría a aumentar su eficiencia hasta en un 80-90%. Este es un aumento significativo de las actuales plantas de combustibles fósiles que solo tienen una eficiencia del 34%.[89]​

Investigación energética sostenible

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Existen numerosas organizaciones dentro de los sectores académico, federal y comercial que realizan investigaciones avanzadas a gran escala en el campo de la energía sostenible. Esta investigación abarca varias áreas de enfoque en todo el espectro de energía sostenible. La mayor parte de la investigación está dirigida a mejorar la eficiencia y aumentar el rendimiento energético general.[90]​ Múltiples organizaciones de investigación con apoyo federal se han centrado en la energía sostenible en los últimos años. Dos de los laboratorios más destacados son los Laboratorios Nacionales Sandia y el Laboratorio Nacional de Energía Renovable (NREL), ambos financiados por el Departamento de Energía de los Estados Unidos y respaldados por varios socios corporativos.[91]​ Sandia tiene un presupuesto total de $ 2.4 mil millones[92]​ mientras que NREL tiene un presupuesto de $ 375 millones.[93]​

La producción científica hacia sistemas de energía sostenible está aumentando de manera exponencial, ya que creció de aproximadamente 500 artículos de revistas en inglés solo sobre energía renovable en 1992 a casi 9,000 artículos para 2011.[94]​

Biomasa

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Plantación de caña de azúcar para producir Etanol en Brasil
Una CHP utilizando madera para proporcionar electricidad a más de 30.000 hogares en Francia

La biomasa es un material biológico derivado de organismos vivos o recientemente vivos. Con mayor frecuencia se refiere a plantas o materiales derivados de plantas que se denominan específicamente biomasa lignocelulósica.[95]​ Como fuente de energía, la biomasa se puede usar directamente a través de la combustión para producir calor, o indirectamente después de convertirla en varias formas de biocombustible. La conversión de la biomasa en biocombustible se puede lograr mediante diferentes métodos que se clasifican ampliamente en: métodos térmicos, químicos y bioquímicos. La madera sigue siendo la mayor fuente de energía de biomasa en la actualidad;[96]​ ejemplos incluyen residuos forestales, como árboles muertos, ramas y tocones de árboles, recortes de jardín, astillas de madera e incluso residuos sólidos municipales. En el segundo sentido, la biomasa incluye materia vegetal o animal que se puede convertir en fibras u otros productos químicos industriales, incluidos los biocombustibles. La biomasa industrial se puede cultivar a partir de numerosos tipos de plantas, incluyendo miscanthus, switchgrass, cáñamo, maíz, álamo, sauce, sorgo, caña de azúcar, bambú,[97]​ y una variedad de especies de árboles, que van desde el eucalipto hasta la palma de aceite ( palma ) .

La biomasa, el biogás y los biocombustibles se queman para producir calor/energía y, al hacerlo, dañar el medio ambiente. Los contaminantes tales como los óxidos sulfurosos (SOx), los óxidos nitrosos (NOx) y las partículas (PM) se producen a partir de esta combustión; la Organización Mundial de la Salud calcula que la contaminación del aire causa cada año 7 millones de muertes prematuras.[98]​ La combustión de biomasa es un contribuyente importante.[98]​[99]​[100]​

Biocombustibles de etanol

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Como la principal fuente de biocombustible en América del Norte, muchas organizaciones están realizando investigaciones en el área de producción de etanol. A nivel federal, el USDA realiza una gran cantidad de investigaciones sobre la producción de etanol en los Estados Unidos. Gran parte de esta investigación está orientada hacia el efecto de la producción de etanol en los mercados alimentarios nacionales.[101]​ El Laboratorio Nacional de Energía Renovable ha realizado varios proyectos de investigación sobre etanol, principalmente en el área del etanol celulósico.[102]​ El etanol celulósico tiene muchos beneficios sobre el etanol tradicional a base de maíz. No quita ni entra directamente en conflicto con el suministro de alimentos porque se produce a partir de madera, pastos o partes no comestibles de las plantas.[103]​ Además, algunos estudios han demostrado que el etanol celulósico es más rentable y económicamente sostenible que el etanol a base de maíz.[104]​ Incluso si utilizáramos toda la cosecha de maíz que tenemos en los Estados Unidos y la convertimos en etanol, solo produciría suficiente combustible para cubrir el 13 por ciento del consumo total de gasolina en los Estados Unidos.[105]​ Sandia National Laboratories realiza investigaciones internas sobre etanol celulósico[106]​ y también es miembro del Joint BioEnergy Institute (JBEI), un instituto de investigación fundado por el Departamento de Energía de los Estados Unidos con el objetivo de desarrollar biocombustibles celulósicos.[107]​

Otros biocombustibles

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De 1978 a 1996, el Laboratorio Nacional de Energía Renovable experimentó con la producción de combustible de algas en el "Programa de Especies Acuáticas".[108]​ Un artículo auto publicado por Michael Briggs, en el Grupo de Biocombustibles de la Universidad de New Hampshire , ofrece estimaciones para el reemplazo realista de todos los combustibles para vehículos motorizados por biocombustibles utilizando algas que tienen un contenido de aceite natural superior al 50%, lo que Briggs sugiere puede ser Crecen en estanques de algas en plantas de tratamiento de aguas residuales.[109]​ Estas algas ricas en aceite pueden luego extraerse del sistema y procesarse en biocombustibles, y el resto seco se puede volver a procesar para crear etanol. La producción de algas para la extracción de petróleo para biocombustibles aún no se ha realizado a escala comercial, pero se han realizado estudios de factibilidad para llegar a la estimación del rendimiento anterior. Durante el proceso de producción de biocombustibles, las algas realmente consumen el dióxido de carbono en el aire y lo convierten en oxígeno a través de la fotosíntesis.[110]​ Además de su alto rendimiento proyectado, la algacultura, a diferencia de los biocombustibles basados en cultivos alimentarios, no implica una disminución en la producción de alimentos, ya que no requiere tierras de cultivo ni agua dulce. Muchas empresas están buscando bio-reactores de algas para diversos propósitos, incluyendo la ampliación de la producción de biocombustibles a niveles comerciales.[111]​[112]​

Varios grupos en diversos sectores están llevando a cabo investigaciones sobre Jatropha curcas , un árbol parecido a un arbusto venenoso que produce semillas consideradas por muchos como una fuente viable de petróleo como materia prima para biocombustibles.[113]​ Gran parte de esta investigación se centra en mejorar el rendimiento total de aceite por acre de Jatropha a través de los avances en genética, ciencias del suelo y prácticas hortícolas. SG Biofuels, un desarrollador de Jatropha con sede en San Diego, ha utilizado la genética molecular y la biotecnología para producir semillas híbridas de élite de Jatropha que muestran mejoras significativas en el rendimiento en comparación con las variedades de primera generación.[114]​ El Centro para la Agricultura de Energía Sostenible (CfSEF) es una organización de investigación sin fines de lucro con sede en Los Ángeles dedicada a la investigación de Jatropha en las áreas de ciencia de las plantas, agronomía y horticultura. Se proyecta que la exploración exitosa de estas disciplinas aumentará los rendimientos de la producción de la granja Jatropha en un 200-300% en los próximos diez años.[115]​

Torio

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Hay potencialmente dos fuentes de energía nuclear. La fisión se utiliza en todas las centrales nucleares actuales. La fusión es la reacción que existe en las estrellas, incluido el sol, y no es práctica para su uso en la Tierra, ya que los reactores de fusión aún no están disponibles. Sin embargo, la energía nuclear es polémica desde el punto de vista político y científico debido a las preocupaciones sobre la eliminación de desechos radiactivos, la seguridad, los riesgos de un accidente grave y los problemas técnicos y económicos en el desmantelamiento de antiguas centrales eléctricas.[116]​

El torio es un material fisionable utilizado en la energía nuclear a base de torio. El ciclo del combustible de torio reclama varias ventajas potenciales sobre el ciclo del combustible de uranio, incluida una mayor abundancia , propiedades físicas y nucleares superiores, una mejor resistencia a la proliferación de armas nucleares[117]​[118]​[119]​ y una producción reducida de plutonio y actínidos .[119]​ Por lo tanto, a veces es referido como sostenible.[120]​

Solar

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El principal obstáculo que impide la implementación a gran escala de la generación de energía solar es la ineficiencia de la tecnología solar actual. Actualmente, los paneles fotovoltaicos (FV) solo tienen la capacidad de convertir alrededor del 24% de la luz solar que los golpea en electricidad.[121]​ A este ritmo, la energía solar aún presenta muchos desafíos para una implementación generalizada, pero se ha logrado un progreso constante en la reducción de los costos de fabricación y el aumento de la eficiencia fotovoltaica. Tanto el Laboratorio Nacional de Sandia como el Laboratorio Nacional de Energía Renovable (NREL, por sus siglas en inglés) han financiado programas de investigación solar. El programa solar NREL tiene un presupuesto de alrededor de $ 75 millones[122]​ y desarrolla proyectos de investigación en las áreas de tecnología fotovoltaica (PV), energía solar térmica y radiación solar.[123]​ El presupuesto para la división solar de Sandia es desconocido, sin embargo, representa un porcentaje significativo del presupuesto de $ 2.4 mil millones del laboratorio.[124]​ Varios programas académicos se han centrado en la investigación solar en los últimos años. El Centro de Investigación de Energía Solar (SERC) en la Universidad de Carolina del Norte (UNC) tiene el único propósito de desarrollar tecnología solar rentable. En 2008, investigadores del Instituto de Tecnología de Massachusetts (MIT) desarrollaron un método para almacenar energía solar al usarla para producir hidrógeno a partir de agua.[125]​ Dicha investigación está dirigida a abordar el obstáculo al que se enfrenta el desarrollo solar del almacenamiento de energía para su uso durante las horas nocturnas cuando el sol no brilla. En febrero de 2012, Semprius Inc., con sede en Carolina del Norte, una empresa de desarrollo solar respaldada por la empresa alemana Siemens, anunció que había desarrollado el panel solar más eficiente del mundo. La compañía afirma que el prototipo convierte el 33.9% de la luz solar que recibe electricidad, más del doble que la tasa de conversión de alto nivel anterior.[126]​ También se están llevando a cabo grandes proyectos sobre fotosíntesis artificial o combustibles solares en muchas naciones desarrolladas.[127]​

Los satélites de energía solar basados en el espacio buscan superar los problemas de almacenamiento y proporcionar un poder a escala de civilización que sea limpio, constante y global. Japón y China tienen programas nacionales activos destinados a la energía solar basada en el espacio (SBSP) a escala comercial, y la esperanza de ambas naciones de orbitar demostraciones en la década de 2030.

Viento

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El Laboratorio Nacional de Energía Renovable proyecta que el costo nivelado de la energía eólica en los EE. UU. Disminuirá aproximadamente un 25% entre 2012 y 2030.[128]​
Parque eólico Bangui en las Filipinas .

La investigación sobre energía eólica se remonta varias décadas a la década de 1970, cuando la NASA desarrolló un modelo analítico para predecir la generación de energía de las turbinas eólicas durante los fuertes vientos.[129]​ Hoy en día, tanto el Laboratorio Nacional de Sandia como el Laboratorio Nacional de Energía Renovable tienen programas dedicados a la investigación eólica. El laboratorio de Sandia se centra en el avance de los materiales, la aerodinámica y los sensores.[130]​ Los proyectos eólicos de NREL se centran en mejorar la producción de energía de las plantas eólicas, reducir sus costos de capital y hacer que la energía eólica sea más rentable en general.[131]​ El Laboratorio de Campo para Energía Eólica Optimizada (FLOWE) en Caltech se estableció para investigar enfoques renovables a las prácticas de tecnología de energía eólica que tienen el potencial de reducir el costo, el tamaño y el impacto ambiental de la producción de energía eólica.[132]​ El presidente de Sky WindPower Corporation cree que los aerogeneradores podrán producir electricidad a un centavo/kWh a un promedio que, en comparación con la electricidad generada con carbón, es una fracción del costo.[133]​

Un parque eólico es un grupo de turbinas eólicas en el mismo lugar utilizado para producir energía eléctrica. Un gran parque eólico puede constar de varios cientos de aerogeneradores individuales, y cubre un área extendida de cientos de millas cuadradas, pero la tierra entre los aerogeneradores puede usarse para fines agrícolas u otros. Un parque eólico también puede estar situado en alta mar.

Muchos de los parques eólicos terrestres más grandes operacionales están ubicados en los Estados Unidos y China. El parque eólico de Gansu en China tiene más de 5,000 MW instalados con una meta de 20,000 MW para 2020. China tiene varias otras "bases de energía eólica" de tamaño similar. El Centro de Energía Eólica Alta en California es el parque eólico en tierra más grande fuera de China, con una capacidad de 1020 MW de potencia.[134]​ Europa lidera el uso de la energía eólica con casi 66 GW, aproximadamente el 66 por ciento del total a nivel mundial, con Dinamarca a la cabeza según los países con capacidad per cápita instalada.[135]​ A partir de febrero de 2012, el parque eólico Walney en el Reino Unido es el parque eólico marino más grande del mundo con 367 MW, seguido del parque eólico Thanet (300 MW), también en el Reino Unido.

Hay muchos parques eólicos grandes en construcción, entre los que se incluyen BARD Offshore 1 (400 MW), Parque eólico Clyde (350 MW), Parque eólico Greater Gabbard (500 MW), Parque eólico Lincs (270 MW), London Array (1000 MW) , El proyecto eólico Lower Snake River (343 MW), el parque eólico de Macarthur (420 MW), el parque eólico de Shepherds Flat (845 MW) y el shoal de Sheringham (317 MW).

En 2022 la generación de energía eólica en el mundo aumentó con un record de 265 TWh (crecimiento del 14%), alcanzando más de 2 100 TWh[136]​

Aunque Enerdata facilita valores cuantitativos del uso de la energía eólica y solar conjuntamente, cabe destacar que en 2020 la cuota de dichas energías creció a un ritmo rápido y constante (+1,2 puntos), llegando al 9,5% a nivel mundial. El país que experimentó un crecimiento más elevado en 2020 fue Australia, país donde la cuota de energía eólica y solar en la oferta energética creció en 2,9 puntos.[137]​

Geotermia

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La energía geotérmica se produce aprovechando la energía térmica creada y almacenada dentro de la tierra. Surge de la descomposición radioactiva de un isótopo de potasio y otros elementos que se encuentran en la corteza terrestre.[138]​ La energía geotérmica se puede obtener perforando el suelo, muy similar a la exploración de petróleo, y luego se transporta mediante un fluido de transferencia de calor (por ejemplo, agua, salmuera o vapor).[138]​ Los sistemas geotérmicos que están dominados principalmente por el agua tienen el potencial de proporcionar mayores beneficios al sistema y generarán más energía.[139]​ Dentro de estos sistemas dominados por líquidos, existen posibles preocupaciones de hundimiento y contaminación de los recursos de agua subterránea. Por lo tanto, la protección de los recursos de agua subterránea es necesaria en estos sistemas. Esto significa que es necesaria una cuidadosa producción e ingeniería de reservorios en sistemas de reservorios geotérmicos dominados por líquidos.[139]​ La energía geotérmica se considera sostenible porque la energía térmica se repone constantemente.[140]​ Sin embargo, la ciencia de la generación de energía geotérmica es todavía joven y está desarrollando viabilidad económica. Varias entidades, como el Laboratorio Nacional de Energía Renovable[141]​ y los Laboratorios Nacionales Sandia[142]​ están realizando investigaciones hacia el objetivo de establecer una ciencia probada en torno a la energía geotérmica. El Centro Internacional de Investigación Geotérmica (IGC), una organización alemana de investigación en geociencias, se centra principalmente en la investigación del desarrollo de energía geotérmica.[143]​

Hidrógeno

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Se han gastado más de $ 1 billón de dinero federal en la investigación y el desarrollo de hidrógeno y un medio para el almacenamiento de energía en los Estados Unidos. (2012)[144]​ Tanto el Laboratorio Nacional de Energía Renovable[145]​ como los Laboratorios Nacionales Sandia[146]​ tienen departamentos dedicados a la investigación del hidrógeno. El hidrógeno es útil para el almacenamiento de energía y para el uso en aviones y barcos, pero no es práctico para el uso de automóviles, ya que no es muy eficiente en comparación con el uso de una batería, por el mismo costo que una persona puede viajar tres veces más usando una batería. Batería del vehículo eléctrico .[147]​ pesar de esa opinión, los fabricantes japoneses de automóviles Toyota y Honda ofrecen actualmente vehículos de pasajeros con motor de pila de combustible de hidrógeno para la venta en Japón y los EE. UU. Los autobuses urbanos de celda de combustible de hidrógeno experimentales están actualmente operativos en dos distritos de tránsito de los EE. UU. Condado de Costa, California, y en Connecticut[148]​

Inversiones en energía limpia

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Comparando las tendencias en el uso de energía en todo el mundo, el crecimiento de la energía limpia hasta 2015 se muestra en la línea verde[149]​

En todo el mundo, muchos gobiernos subnacionales (regiones, estados y provincias) han buscado agresivamente inversiones en energía sostenible. En los Estados Unidos, el liderazgo de California en energía renovable fue reconocido por The Climate Group cuando otorgó al exgobernador Arnold Schwarzenegger su premio inaugural por liderazgo internacional sobre el clima en Copenhague en 2009[150]​ en Australia, el estado de Australia del Sur, bajo el liderazgo del ex primer ministro Mike Rann, ha liderado el camino con la energía eólica que comprende el 26% de su generación eléctrica a fines de 2011, superando por primera vez a la generación de carbón.[150]​ El sur de Australia también ha tenido el mayor consumo per cápita de paneles solares domésticos en Australia luego de la introducción por parte del Gobierno de Rann de las leyes de alimentación solar y la campaña educativa relacionada con la instalación de instalaciones solares fotovoltaicas en los techos de edificios públicos destacados, incluido el parlamento. , museo, aeropuerto y pabellones y escuelas de Adelaide Showgrounds.[151]​ Rann, el primer ministro de cambio climático de Australia, aprobó una legislación en 2006 que establece objetivos para la energía renovable y los recortes de emisiones, la primera legislación en Australia para hacerlo.[152]​

Además, en la Unión Europea existe una clara tendencia a promover políticas que fomenten las inversiones y la financiación de energía sostenible en términos de eficiencia energética, innovación en la explotación de la energía y desarrollo de recursos renovables, con una mayor consideración de los aspectos ambientales y la sostenibilidad.[153]​

En octubre de 2018, el Consejo Americano para una Economía de Eficiencia Energética (ACEEE, por sus siglas en inglés) publicó su "Tarjeta de Puntuación Estatal de Eficiencia Energética". El cuadro de mando concluyó que los estados y las compañías de servicios eléctricos continúan expandiendo las medidas de eficiencia energética para cumplir los objetivos de energía limpia. En 2017, los Estados Unidos gastaron $ 6,6 mil millones en programas de eficiencia eléctrica. $1.3 mil millones se gastaron en eficiencia de gas natural. Estos programas dieron como resultado un ahorro de 27,3 millones de megavatios hora (MWh) de electricidad.[154]​

Revistas relacionadas

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Entre las revistas científicas relacionadas con el estudio interdisciplinario de la energía sostenible se encuentran:

  • Ciencia energética y ambiental
  • Energía para el desarrollo sostenible
  • La política energética
  • Revista de Energía Renovable y Sostenible
  • Revisiones de energía renovable y sostenible

Véase también

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Referencias

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