La energía sostenible es la piedra angular del esfuerzo mundial por reducir la dependencia de los combustibles fósiles.
Los trabajos de investigación y desarrollo siguen proporcionando formas más limpias, eficientes y diversas de generar la energía que necesitamos para alimentar la sociedad moderna. A medida que mejoramos nuestra capacidad de producir energía limpia, también debemos tener en cuenta el impacto medioambiental global de los sistemas de alimentación que convierten la energía en trabajo: la conducción de nuestros coches, camiones, aviones y otras máquinas. La creación de sistemas energéticos sustentables será otra pieza clave de nuestros esfuerzos por reducir las emisiones, pero estos sistemas son difíciles de desarrollar y aplicar. Esto se debe sobre todo a la inmensa complejidad del sistema de sistemas que implica la ingeniería, fabricación, implementación y el mantenimiento de un sistema de energía sustentable.
La necesidad de sistemas de energía sustentables
En los Estados Unidos, las emisiones del transporte contribuyeron a la mayor parte de las emisiones de gases de efecto invernadero en 2020, con un 27% (EPA, 2022). En el mismo año, se estima que el transporte fue responsable de 7,200 millones de toneladas de emisiones de dióxido de carbono en todo el mundo (AIE, 2021). Mientras trabajamos para reducir nuestro impacto en el medio ambiente, la reducción de estas emisiones es crucial. Se trata de una tarea de gran envergadura, pero que podemos llevar a cabo mediante la innovación continua en tecnologías sustentables, incluidos los sistemas que alimentan nuestros diversos vehículos y máquinas.
Se han propuesto, probado e incluso puesto en producción varias soluciones al problema de las emisiones del transporte. La más destacada hoy en día es la cadena cinemática eléctrica. En los últimos cinco años, la electrificación de los vehículos ha obtenido un amplio apoyo a nivel mundial como medio práctico y conveniente para reducir las emisiones de carbono en el sector del transporte (figura 1). Al alimentar los vehículos con electricidad en lugar de gasolina, podemos eliminar las emisiones del tubo de escape que genera un vehículo tradicional al quemar combustible, además que ofrecemos una experiencia de conducción y de uso comparable. Por ello, este enfoque está cobrando un gran impulso y debería seguir haciéndolo a medida que salgan al mercado más modelos, bajen los costos y entren en vigor nuevas normativas medioambientales en todo el mundo.
Figura 1: Los vehículos eléctricos son cada vez más comunes en las vías públicas. La industria del automóvil está adoptando la electrificación para reducir las emisiones del sector del transporte
Aunque se está avanzando, la cadena cinemática eléctrica aún se enfrenta a algunos retos en cuanto a su impacto global en el medio ambiente (1). Lo mismo ocurre con otras formas de energía alternativa y sistemas energéticos sustentables. Para crear un sistema energético verdaderamente sostenible, las empresas deben abordar su desarrollo, implementación y mantenimiento sobre el terreno desde una perspectiva completa, de sistema de sistemas. De este modo, pueden tener en cuenta y minimizar la huella medioambiental total del sistema, al tiempo que facilitan un entorno de desarrollo innovador y productivo para sus ingenieros y socios.
1 la sostenibilidad y los vehículos eléctricos
Por: Nand Kochhar, VP de Transporte, Siemens Digital Industries Software
Los vehículos eléctricos están ganando rápidamente posición en el mercado del automóvil y en la conciencia de los consumidores como alternativa sostenible a los vehículos de gas. Sin embargo, cuando se analiza todo el ciclo de vida de producción y uso del coche eléctrico, hay retos de sostenibilidad que siguen sin resolverse.
La fabricación de estos vehículos contribuye de forma significativa a la huella de carbono global por cada coche, en gran parte debido a los procesos implicados en la producción de las baterías. Las baterías de los vehículos eléctricos requieren materias primas como el cobalto, el litio y otros metales de tierras raras. La extracción de estos materiales requiere energía para alimentar el equipo de minería, la mayor parte de la cual procede de la combustión de combustibles fósiles. La energía utilizada para convertir estas materias primas en celdas de batería y luego en paquetes de baterías que alimentarán un vehículo eléctrico añade otro factor a la ecuación de la sostenibilidad. El carbón y otros combustibles fósiles se siguen utilizando para generar energía eléctrica en gran parte del mundo, incluidos los mayores mercados de eléctricos: China, Estados Unidos y Europa. En consecuencia, la producción de un vehículos eléctricos y sus componentes contribuye con frecuencia a las emisiones de carbono. Asimismo, el origen de la electricidad utilizada para cargar estos coches influye en los resultados generales de sostenibilidad. Aunque los vehículos eléctricos no emiten carbono durante su funcionamiento, cargarlos con electricidad generada en una central eléctrica de carbón reduce ese ahorro de emisiones.
Al final de la vida útil del vehículo, la batería debe eliminarse o reciclarse; sin embargo, el ecosistema de reciclaje de los paquetes de baterías de los coches eléctricos aún está en desarrollo. Hoy, los métodos de reciclaje pueden ser costosos y requerir mucha energía. Aunque son mejores que los motores de combustión alimentados por gasolina o diésel, los vehículos eléctricos actuales no son una solución autónoma al problema de las emisiones del transporte si tenemos en cuenta el ciclo de vida completo del producto y la cadena de suministro.
La buena noticia es que la digitalización está ayudando a las empresas a afrontar estos retos, permitiéndoles mejorar continuamente la sustentabilidad y el rendimiento de los vehículos eléctricos y las baterías. Por ejemplo, las soluciones avanzadas de simulación de baterías ayudan a los ingenieros a desarrollar y probar todo, desde la microestructura y la electroquímica de la batería hasta la evaluación del rendimiento general de la misma, lo que permite obtener paquetes de baterías más amplios y eficientes. Estas soluciones de simulación ayudan a desarrollar nuevos tipos de baterías que no dependan de materiales peligrosos, lo que las hace más limpias de producir y más fáciles de reciclar. Gracias a la digitalización, las empresas también pueden gestionar todos los materiales, la energía y otros recursos que se consumen durante la producción y el mantenimiento del vehículo, proporcionando una imagen precisa de su impacto medioambiental total. Con este conocimiento, los fabricantes de automóviles pueden tomar medidas para minimizar las emisiones, los residuos y el consumo de recursos como el agua y la electricidad. Con estas y otras medidas, podemos aprovechar la digitalización para que los vehículos eléctricos sean una solución cada vez más potente en la lucha contra el cambio climático.
La sostenibilidad exige un enfoque de sistema de sistemas
El reto de lograr este enfoque de sistema de sistemas para el desarrollo de un sistema energético sostenible es el seguimiento y la medición de los numerosos aspectos que afectan a la sostenibilidad de un producto o sistema. Para ello, las empresas necesitan una forma eficaz de hacer un seguimiento de las características medioambientales de los numerosos componentes, materiales y subsistemas que forman parte de un sistema energético moderno y lo hacen a través de varios ecosistemas industriales conectados. Una vez que disponen de esta información, necesitan una forma de gestionarla y conectarla con los requisitos del sistema energético para encontrar sinergias o descubrir posibles escollos para el sistema energético sostenible. Por último, para tener éxito, las empresas deben ser capaces de hacer esto de manera eficiente, sin perder tiempo y recursos que podrían estar mejor invertidos en perfeccionar el sistema energético.
Por ejemplo, consideremos las decisiones de sostenibilidad que se toman para el abastecimiento, el transporte y el almacenamiento de hidrógeno para un avión con pila de combustible de hidrógeno. En primer lugar, ¿dónde se produce el hidrógeno y con qué métodos? En la actualidad, la mayor parte de la producción de hidrógeno utiliza el reformado de metano al vapor, que consume grandes cantidades de energía y produce dióxido de carbono como subproducto. Las instalaciones de reformado de vapor-metano que emplean la tecnología de captura de carbono pueden producir un hidrógeno más limpio, pero lo hacen a un mayor costo. Un proceso totalmente diferente se basa en la electrólisis del agua para crear hidrógeno sin emisiones directas de carbono, aunque este proceso suele ser el más caro. Por último, dado que tanto la reformación con vapor de metano como la electrólisis requieren energía, también es importante tener en cuenta si esta energía procede de combustibles fósiles o de fuentes de energía alternativas.
Figura 2: El proceso utilizado para producir hidrógeno es una consideración importante en el desarrollo de un sistema de propulsión con pilas de combustible de hidrógeno. En la imagen, un proceso de electrólisis alimentado por energía eólica.
Además, ¿cómo se transportará el hidrógeno desde las instalaciones de producción hasta los aeródromos, y cómo se almacenará para el servicio del avión con pila de combustible de hidrógeno? El hidrógeno puede almacenarse en forma líquida o gaseosa, pero ambas requieren tanques especializados que puedan soportar altas presiones, para el gas, o temperaturas extremadamente bajas para evitar que el hidrógeno líquido hierva. Es probable que esta infraestructura no exista en la mayoría de los aeropuertos y que haya que construirla para poder almacenar el hidrógeno in situ. Estas consideraciones sobre el almacenamiento afectan también a las opciones de transporte del hidrógeno. Aunque existen tuberías de hidrógeno, se construyen para dar servicio a plantas químicas y refinerías de petróleo, no a aeropuertos. Por lo tanto, el hidrógeno necesario para las aeronaves con pila de combustible debe trasladarse en camiones u otro tipo de transporte terrestre. Las emisiones de estos transportes terrestres deben capturarse y considerarse para crear una imagen completa de sostenibilidad.
Aparte del hidrógeno, el fabricante del avión también necesitará una forma de contabilizar los materiales utilizados para construir la propia aeronave, incluido el contenedor de combustible de hidrógeno, electrónica, motores eléctricos, etc. Entonces, como empresa que desarrolla un sistema de energía sostenible, ¿cómo coordinar el desarrollo y la implementación del sistema de energía con una compleja red de proveedores y socios en todo el mundo para lograr un sistema verdaderamente sustentable?
La digitalización es la base del desarrollo sustentable
Está claro que la respuesta es la digitalización. La digitalización permite a las empresas de todos los tamaños desarrollar una inteligencia colectiva para capturar, organizar y gestionar las métricas de sostenibilidad cruciales para desarrollar sistemas energéticos verdaderamente sustentables, tanto en la cadena de suministro como en el ciclo de vida del sistema energético. La digitalización permite a las empresas conectar todo su ciclo de vida a través de una columna vertebral digital, con información que fluye bidireccionalmente en toda la organización. Incluso otras empresas y proveedores pueden incorporarse de forma segura a su columna vertebral digital, garantizando una colaboración más rápida y sencilla entre las organizaciones, y apoyando la responsabilidad de los objetivos generales de sostenibilidad.
La digitalización ofrece una base natural para un enfoque de sistema de sistemas para el diseño, manufactura y el servicio de sistemas energéticos sustentables. Puede ayudar a las empresas a gestionar el desarrollo de su sistema de energía (como una pila de combustible de hidrógeno), a la vez que cuenta con el panorama completo de sostenibilidad de ese sistema: desde la instalación del sistema de energía hasta la energía, la producción de energía, el transporte, etc.
Figura 3: La digitalización permite un enfoque de sistema de sistemas, lo que ayuda a las empresas a tener en cuenta el panorama completo de sostenibilidad de un producto o sistema.
Con un enfoque de ingeniería de sistemas digitalizado, los requisitos de sostenibilidad pueden añadirse a la definición inicial del producto, lo que permite su seguimiento a lo largo del ciclo de vida de su desarrollo. Desde el principio, el producto y los métodos de producción se crean con estos indicadores como requisitos, por ejemplo las emisiones de carbono, los contaminantes, el uso de energía y otras métricas de sustentabilidad. La optimización de este concepto desde el principio minimiza los costosos y lentos cambios de diseño o las modificaciones en manufactura para reducir la huella medioambiental de un producto. Además, estos requisitos pueden aplicarse en cascada a lo largo de la cadena de suministro o de valor, con reportes automatizados para dar cuenta de la totalidad del desarrollo y la creación del producto, incluso de aquellas partes que son desarrolladas por proveedores y socios.
Para el desarrollador de la aeronave propulsada por hidrógeno de nuestro ejemplo anterior, un enfoque digitalizado de sistema de sistemas le ayuda a establecer y ejecutar un conjunto de requisitos de sostenibilidad para el avión.
Estos podrían incluir:
- Cero emisiones netas de carbono en todo el ciclo de vida del desarrollo y la cadena de suministro.
- Minimización del uso de materiales y de los residuos debidos a prototipos, pruebas y errores de fabricación. Esto también puede incluir objetivos de uso de agua y electricidad durante la producción.
- Objetivos para el uso de materiales reciclados en la producción del avión, el sistema de propulsión y otros componentes.
Adicionalmente, estos requisitos pueden fluir rápidamente por toda la organización y la red de proveedores. Con los requisitos en la mano, los equipos de ingeniería pueden confiar más en las soluciones de simulación avanzadas para evaluar los diseños y probar las capacidades del sistema de energía sin utilizar materiales y recursos en prototipos físicos. Mientras tanto, los proveedores pueden ser evaluados y seleccionados en función de su capacidad para cumplir los requisitos del programa en cuanto a emisiones, uso de energía y otros aspectos, desde la fabricación hasta el transporte. Los procesos automatizados de elaboración de reportes ayudan al fabricante a recopilarlos y a realizar un seguimiento del impacto medioambiental completo de la aeronave y su sistema de energía.
Además, la digitalización es un poderoso facilitador de la innovación tecnológica, la colaboración y la toma de decisiones informadas. Al invertir en la transformación digital, las empresas de todos los tamaños pueden atender los retos del desarrollo sostenible empleando un enfoque de sistema de sistemas que se desarrolla sobre hilos digitales de información. Este enfoque será fundamental en nuestros esfuerzos por transformar nuestras industrias, economías y sociedades en versiones más ecológicas y sustentables.
Referencias
EPA. (2022). Sources of Greenhouse Gas Emissions. Retrieved from United States Environmental Protection Agency: https://www.epa.gov/ghgemissions/sources-greenhouse-gas-emissions#transportation
IEA. (2021, November). Tracking Transport 2021. Retrieved from International Energy Agency: https://www.iea.org/reports/tracking-transport-2021
Por: Dale Tutt, vicepresidente de Estrategia Industrial, Siemens Digital Industries Software
