Introducción:

La energía ha ido siempre de la mano del desarrollo industrial a lo largo de la historia. De hecho, cada una de las Revoluciones Industriales se han caracterizado por un cambio en la forma de consumir energía.

En la primera revolución industrial (segunda mitad del siglo XVIII), el carbón fue el gran protagonista como una fuente de energía capaz de mover las nuevas máquinas de vapor y los hornos siderúrgicos. En la segunda revolución industrial (1850-1914), las nuevas formas de energía, como la electricidad y el petróleo, se abrieron paso para hacer frente a los cambios e innovaciones tecnológicas en la industria. Si bien la aparición de la electricidad fue decisiva, ya que constituía una forma de almacenar y transportar la energía de forma eficiente y estandarizada, facilitando en gran medida el consumo; fue el petróleo la fuente de energía que creció más hasta convertirse en la principal a mediados el siglo XX. La tercera revolución industrial (a partir del año 2.000), se puede decir que fue el inicio del uso y desarrollo de energías renovables en los procesos industriales. La toma de conciencia del uso desmedido de los recursos naturales, unido a los efectos nocivos de las emisiones de gases de efecto invernadero, como el dióxido de carbono (CO2), a la atmósfera plantea la necesidad de usar otras fuentes de energía e investigar el modo más rentable de emplearlas.

¿Existe algún tipo de energía que caracterice a la cuarta revolución industrial/Industria 4.0?

Antes de contestar esta pregunta conviene que empecemos conociendo mejor el concepto de “energía”.

¿Qué es la energía?

La energía se puede definir como la capacidad de los cuerpos para realizar un trabajo y producir cambios en ellos mismos o en otros cuerpos. Es decir, el concepto de energía se define como la capacidad de hacer funcionar las cosas.

Por otra parte, de acuerdo con las leyes de la conservación de la energía y termodinámica clásica, podemos definir 4 propiedades básicas en la energía:

• Se transforma. La energía no se crea, sino que se transforma y es durante esta transformación cuando se manifiestan las diferentes formas de energía: térmica, eléctrica, mecánica, electromecánica, química, nuclear, etc.
• Se conserva. Al final de cualquier proceso de transformación energética nunca puede haber más o menos energía que la que había al principio, siempre se mantiene. La energía no se destruye.
• Se transfiere. La energía pasa de un cuerpo a otro en forma de calor, ondas o trabajo.
• Se degrada. Solo una parte de la energía transformada es capaz de producir trabajo y la otra se pierde en forma de calor o ruido (vibraciones mecánicas no deseadas).

Es precisamente esta cuarta propiedad la que más ha evolucionado a lo largo de la historia. Las primeras locomotoras de vapor, del 100% de la energía química presente en el carbón que se quemaba en la caldera, sólo el 8% se transformaba en energía mecánica (movimiento de las ruedas). El resto de energía (energía térmica) se perdía en forma de calor, y no se aprovechaba.

Un ejemplo de la evolución de la eficiencia lo tenemos en el sector de la automoción. Los motores de combustión interna (motor térmico) el aprovechamiento que hacen del contenido energético de los hidrocarburos está en torno al 30%-45% de la energías producida. Sin embargo, actualmente el rendimiento de los motores eléctricos puede llegar hasta el 75%.

                                                                        Figura 3. Aprovechamiento energético de los motores

Parece inevitable que las máquinas y los procesos desarrollados por el hombre funcionan con un rendimiento menor al 100%, lo que se traduce en pérdidas de energía y por lo tanto también de recursos económicos o materiales.

¿Qué es lo que se puede hacer para mejorar el rendimiento de las fuentes de energía en los procesos industriales? Se habla mucho de como la industria 4.0 ayuda a monitorizar el eficiencia energética, pero ¿Quién optimiza el uso de la energía?

Energías de futuro

Existen muchos tipos de energía y cada una tiene una serie de ventajas e inconvenientes en función de su capacidad de generación (renovable/no renovable), necesidad de trasformación (primarias/finales) o del impacto medioambiental (limpia/contaminante). Algunas son abundantes en la naturaleza y prácticamente inagotables, como la energía solar, eólica o mareomotriz; mientras que otras escasean, como el petróleo, gas y carbón[1].

Lo que sí parece claro es que algunas de estas energías no conviene seguir usándolas si queremos que nuestras generaciones venideras tengan un planeta en las mejores condiciones y por largo tiempo. Por tanto, debemos descartar todas aquellas fuentes de energía causantes del efecto invernadero, y por tanto del calentamiento global y el cambio climático. Esto es lo que se conoce como el proceso de “Descarbonización”[2]. Estas son principalmente dos:

• Petróleo: Por su escasez, especulación y contaminación responsable del calentamiento global.
• Carbón: El nitrógeno y azufre liberados en su quema contaminan el agua y se transforman en lluvia ácida, produce ingentes cantidades de CO₂.

No obstante, a pesar este hecho y de que los avances tecnológicos han permitido que las energías renovables sean cada vez más eficiente y fáciles de aprovechar, todavía queda mucho camino por delante para que nos podamos olvidar definitivamente de los combustibles fósiles. Este es uno de los grandes retos para los investigadores e ingenieros de todo el mundo de manera que podamos conseguirlo en breve plazo.

Energías de futuro

Las energías renovables son las candidatas perfectas para sustituir a los combustibles fósiles. Hoy en día existen muchos energías en la parrilla de salida; veamos algunas de las principales junto con algunas de sus limitaciones:

• Solar fotovoltaica. transforma los rayos del sol en electricidad a través de unas células especiales instaladas también en unos paneles solares. Elevado coste de fabricación de los paneles solares, mejora en la optimización de sistemas de almacenamiento y bajo rendimiento por perdida de energía.
• Fusión nuclear: energía que se produce en la reacción de dos núcleos de átomos ligeros, en general el hidrógeno y sus isótopos (deuterio y tritio), que se unen para formar otro núcleo más pesado, liberando gran cantidad de energía. Pero actualmente no es posible porque se consume más energía de la que se produce. Se está investigando sobre un proceso mixto.
• Biomasa: Los biocombustibles o biomasa liberan energía química al quemarse y producen calor o sub combustibles del tipo alcohólico, como el etanol. Si bien es renovable, NO es limpia 100% pues su quema produce CO₂.
• Eólica: se obtiene a partir del viento mediante aerogeneradores que transforman la energía cinética que se produce con el movimiento de enormes palas de molinos, en electricidad. Tienen un elevado coste, impacto visual y sonoro, así como discutido impacto medioambiental (como por ejemplo el desplazamiento de los recorridos de aves migratorias). Difícil gestión dentro de un sistema eléctrico al ser una energía poco constante, dependiente de vientos a menudo muy variables.
• Energía mareomotriz: es la energía potencial o cinética que contienen los océanos. Esta energía se está desarrollando y se piensa podría ser una energía que sustituiría a los combustibles fósiles, porque esta energía es renovable y tres cuartas partes del planeta son océanos, así que casi todo país con costa puede emplearla
• Biocarburantes: se basa en el uso de la fotosíntesis de las plantas para crecer y producir biomasa y el uso para obtener energía directamente de ella o producir un combustible llamado biofuel. Sus principales inconvenientes son: necesidad de grandes cantidades de agua, afecta al precio de los alimentos que se utilizan (soja, maíz, caña de azúcar, etc.) de consumo humano o aumento de las emisiones de óxido de nitrógeno, A causa de los fertilizantes nitrogenados que se emplean en los campos de cultivo,
• Hidrogeno: se basa en un proceso de electrólisis[3]. Aunque es una fuente prácticamente inagotable, no se encuentra libre en la naturaleza, por lo que, para la obtención de hidrógeno en estado puro, habrá que realizar determinados procesos para separarlo de otros elementos. Este es un proceso costoso[4] para el que se necesita mucha energía eléctrica, que en la mayoría de los casos no procede de fuentes renovables (hidrogeno gris). Por tanto, el reto es conseguir lo que se conoce como “hidrogeno verde”, con procesos de electrolisis proveniente solo de energías renovables.

 Retos de la energía

Hoy en día se utilizan los combustibles fósiles como energía primaria en el mundo en una proporción muy superior al resto de energías, representando más del 80% del consumo mundial. Pero estas generan contaminación y no son renovables, por lo que nos encontramos con otro gran reto.

Partiendo de la base de que las energías renovables son la mejor alternativa a las energías provenientes de combustibles fósiles, ¿Qué características debería reunir las energías del futuro para poder satisfacer la necesidades crecientes de la industria y de los avances tecnológicos de la industria 4.0?

• Tiene que ser capaz de almacenar energía y hacerlo de forma permanentemente.
• Mínimo impacto medioambiental. Renovable en su mayor porcentaje y no contaminantes.
• Alta eficiencia energética, minimizando la degradación de las fuentes de energía.
• Gran capacidad de generación de movimiento (imprescindible para los viajes espaciales).
• No afectable por la especulación (como los combustibles fósiles, biocombustibles, etc.)
• Y por supuesto, provenir de energías primarias

Conclusiones

A la pregunta que nos hacíamos al principio de si existía un tipo de fuente de energía asociada a la cuarta revolución industrial/Industria 4.0; la respuesta es, que realmente NO.

Cada una de las revoluciones industriales se caracterizó además por el valor añadido que aportaban las nuevas fuente de energía a cada una de las trasformaciones de la industria. Sin embargo, en la cuarta revolución industrial, es la digitalización y transformación digital la que aporta valor añadido a las nuevas fuentes de energía; por tanto, podemos decir que la industria 4.0 es la llave para la transición energética.

¿Cuál es la aportación de la industria 4.0 al sector de la energía y a la transición energética?

Cada uno de los habilitadores tecnológicos aporta algún valor en el desarrollo y de las nuevas formas de energía. Pero algunas como las tecnologías de la información, como el Big Data o la Inteligencia Artificial (IA), contribuyen de forma importante al desarrollo de modelos más sostenibles y eficientes de consumo y producción de energía, y la conexión de esta información digital con el mundo físico mediante el IoT[5] , a través de sensores e instrumentación especifica.

Podríamos decir que los principales retos de la energía en la industrialización de la cuarta revolución industrial serían:

• Ser capaces de conseguir energías 100% sostenibles y renovables, con el menor consumo y la mayor rentabilidad.
• Que maximicen los procesos industriales a través de un óptimo rendimiento energético (eficiencia energética).
• Integración digital a través de los habilitadores tecnológicos de la industria 4.0 como facilitadores del proceso.

Francisco José Alferez Canales
Miembro Grupo Industria Conectada 4.0 en ISA Sección Española
Presidente electo/Vocal de socios
E&CA Engineering Tools Manager – Tetra Pak

[1] De continuar el ritmo actual de consumo, las reservas de petróleo se agotarían en unos 47 años, las de gas en aproximadamente 52 años y las de carbón en más de 150 años; según diversas fuentes consultadas.

[2] La descarbonización es el proceso de reducción de emisiones de carbono, sobre todo de dióxido de carbono (CO₂), a la atmósfera.

[3] Descomposición de las moléculas de agua (H₂O), en oxígeno (O₂) e hidrógeno (H₂)

[4] Según Justo Lobato, catedrático de Ingeniería Química de la Universidad de Castilla la Mancha, en la actualidad la mayoría de los expertos estiman que en los próximos 10 años los costes de producción de hidrógeno verde descenderán en un 70 %

[5] Internet Of Things (Internet de las cosas)

Fuentes/referencias

[1] Procesos industriales y retos del sector de la energía

[2] La energía- Endesa Educa

[3] Cómo ha cambiado el consumo de energía desde el siglo XVIII

[4] La Transformación de la Energía

[5] La aportación de la industria 4.0 al sector de la energía y la transición energética

[6] Ventajas e inconvenientes del hidrógeno como combustible alternativo

[7] Distribución porcentual del consumo energético mundial – Statista