Entendiendo la energía: combustibles y electricidad

Imaginemos un escenario de ciencia ficción benigno: no un viaje a planetas distantes en busca de vida, sino la Tierra y sus habitantes como objetivos de un monitoreo remoto por parte de una civilización extremadamente sapiente que envía sondas a galaxias cercanas. ¿Por qué lo hacen? Simplemente por la satisfacción de lograr una comprensión sistemática, y tal vez también para evitar sorpresas peligrosas si el tercer planeta que orbita una estrella sin mucho que destacar en una galaxia espiral se convirtiera en una amenaza, o quizá en caso de que necesitaran un segundo hogar. Por esta razón, este planeta mantiene un control periódico sobre la Tierra.

Supongamos que una sonda se aproxima a nuestro planeta una vez cada 100 años y que está programada para realizar un segundo recorrido (una inspección más detallada) solo cuando detecta un tipo de conversión de energía previamente no observado —el cambio de energía de una forma a otra— o una nueva manifestación física dependiente de ello. En términos físicos fundamentales, cualquier proceso —sea la lluvia, una erupción volcánica, el crecimiento de una planta, la depredación animal o el desarrollo de la sapiencia humana— puede definirse como una secuencia de conversiones de energía. Durante algunos cientos de millones de años después de la formación de la Tierra, las sondas habrían observado solo los mismos espectáculos variados, pero en última instancia monótonos, de erupciones volcánicas, terremotos y tormentas atmosféricas.

Cambios fundamentales

Los primeros microorganismos emergen hace casi 4 mil millones de años, pero las sondas que pasan no los registran, ya que estas formas de vida son raras y permanecen ocultas, asociadas con respiraderos hidrotermales alcalinos en el fondo del océano. La primera ocasión para una inspección más cercana surge tan pronto como hace 3.5 mil millones de años, cuando una sonda registra los primeros microbios fotosintéticos simples y unicelulares en mares poco profundos: absorben radiación infrarroja cercana —aquella que está justo más allá del espectro visible— y no producen oxígeno.¹Cientos de millones de años transcurren sin señales de cambio antes de que las cianobacterias comiencen a usar la energía de la radiación solar visible para convertir CO₂ y agua en nuevos compuestos orgánicos y liberar oxígeno.²

Este es un cambio radical que creará la atmósfera oxigenada de la Tierra, aunque pasa mucho tiempo antes de que se observen nuevos organismos acuáticos más complejos hace 1.2 mil millones de años, cuando las sondas documentan el surgimiento y la difusión de algas rojas brillantemente coloreadas (debido al pigmento fotosintético ficoeritrina) y de algas pardas mucho más grandes. Las algas verdes llegan casi medio mil millón de años después y, debido a la nueva proliferación de plantas marinas, las sondas obtienen mejores sensores para monitorear el fondo marino. Esto rinde frutos, ya que hace más de 600 millones de años las sondas realizan otro descubrimiento épico: la existencia de los primeros organismos compuestos por células diferenciadas. Estas criaturas blandas, aplanadas y habitantes del fondo (conocidas como fauna ediacárica por su localidad en Australia) son los primeros animales simples que requieren oxígeno para su metabolismo y, a diferencia de las algas que simplemente son arrastradas por olas y corrientes, son móviles.³

Y entonces las sondas comienzan a documentar lo que, comparativamente hablando, son cambios rápidos: en lugar de sobrevolar continentes sin vida y esperar cientos de millones de años antes de registrar otro cambio épico, comienzan a registrar las crecientes, florecientes y declinantes olas de aparición, difusión y extinción de una enorme variedad de especies. Este período comienza con la explosión cámbrica de pequeños habitantes marinos del fondo (hace 541 millones de años, dominados inicialmente por trilobites) y continúa con la llegada de los primeros peces, anfibios, plantas terrestres y animales de cuatro patas (y, por ende, excepcionalmente móviles). Extinciones periódicas reducen o, a veces, casi eliminan esta diversidad y, hace apenas 6 millones de años, las sondas no encuentran ningún organismo dominando el planeta.⁴

Poco después, las sondas casi pasan por alto la importancia de un cambio mecánico con enormes implicaciones energéticas: muchos animales cuadrúpedos se ponen de pie brevemente o caminan torpemente sobre dos patas, y hace más de 4 millones de años esta forma de locomoción se convierte en la norma para pequeños seres parecidos a simios que comienzan a pasar más tiempo en tierra que en los árboles.⁵ Ahora los intervalos entre los informes de algo destacable a su base de origen se reducen de cientos de millones a apenas cientos de miles de años. Eventualmente, los descendientes de estos primeros bípedos (que clasificamos como homínidos, pertenecientes al género Homo, dentro de nuestra larga línea de ancestros) hacen algo que los coloca en un camino acelerado hacia el dominio planetario. Hace varios cientos de miles de años, las sondas detectan el primer uso extrasomático de energía —externa al cuerpo, es decir, cualquier conversión de energía más allá de la digestión de alimentos— cuando algunos de estos caminantes erguidos dominan el fuego y comienzan a usarlo deliberadamente para cocinar, confort y seguridad.⁶ Esta combustión controlada convierte la energía química de las plantas en energía térmica y luz, permitiendo a los homínidos comer alimentos previamente difíciles de digerir, calentarse durante las frías noches y ahuyentar a animales peligrosos.⁷ Estos son los primeros pasos hacia moldear y controlar deliberadamente el entorno a una escala sin precedentes.

Esta tendencia se intensifica con el siguiente cambio notable: la adopción del cultivo de cultivos. Hace aproximadamente 10 mil años, las sondas registran los primeros parches de plantas cultivadas deliberadamente, ya que una pequeña parte de la fotosíntesis total de la Tierra comienza a ser controlada y manipulada por humanos que domestican —seleccionan, siembran, cuidan y cosechan— cultivos para su beneficio (retrasado).⁸ Poco después, sigue la primera domesticación de animales. Antes de que esto ocurriera, los músculos humanos eran los únicos motores principales, es decir, convertidores de energía química (alimento) en energía cinética (mecánica) para el trabajo.

La domesticación de animales de trabajo, comenzando con el ganado hace unos 9,000 años, proporciona la primera energía extrasomática distinta de los músculos humanos: se utilizan para labores de campo, sacar agua de pozos, arrastrar o transportar cargas, y ofrecer transporte personal.⁹ Mucho más tarde llegan los primeros motores principales inanimados: las velas, hace más de cinco milenios; las ruedas hidráulicas, hace más de dos milenios; y los molinos de viento, hace más de mil años.¹⁰

Después, las sondas no tienen mucho que observar con la llegada de otro período de (relativa) desaceleración: siglo tras siglo, solo hay repetición, estancamiento o el lento crecimiento y difusión de estas conversiones largamente establecidas. En las Américas y en Australia (donde faltan animales de tiro y cualquier motor principal mecánico simple), todo el trabajo antes de la llegada de los europeos se realiza con los músculos humanos. En algunas regiones preindustriales del Viejo Mundo, los animales de tiro, el viento y el agua corriente o caída energizan partes significativas de la molienda de granos, el prensado de aceite, la trituración y la forja, y los animales de tiro se vuelven indispensables para las labores pesadas en el campo (sobre todo el arado, ya que la cosecha todavía se realiza manualmente), el transporte de bienes y la guerra.

Pero en este punto, incluso en sociedades con animales domesticados y motores principales mecánicos, gran parte del trabajo sigue siendo realizado por personas. Mi estimación, utilizando totales históricos necesariamente aproximados de animales y personas en trabajo, y asumiendo tasas diarias típicas de esfuerzo físico basadas en mediciones modernas, es que —ya sea al comienzo del segundo milenio de la Era Común o 500 años después (en 1500, al inicio de la era moderna)— más del 90 por ciento de toda la energía mecánica útil era proporcionada por fuerza animada, aproximadamente dividida entre personas y animales, mientras que toda la energía térmica provenía de la combustión de combustibles vegetales (principalmente madera y carbón vegetal, pero también paja y estiércol seco).

Y entonces, en 1600, la sonda alienígena entra en acción y detecta algo sin precedentes. En lugar de depender exclusivamente de la madera, una sociedad insular comienza a quemar carbón, un combustible producido por fotosíntesis hace decenas o cientos de millones de años y fosilizado por el calor y la presión durante su largo almacenamiento subterráneo. Las mejores reconstrucciones muestran que el carbón como fuente de calor en Inglaterra supera el uso de combustibles de biomasa alrededor de 1620 (quizá incluso antes); para 1650, la quema de carbono fósil aporta dos tercios de todo el calor; y la proporción alcanza el 75 por ciento para 1700.¹¹ Inglaterra tiene un comienzo excepcionalmente temprano: todos los yacimientos de carbón que convierten al Reino Unido en la economía líder del siglo XIX ya estaban produciendo carbón antes de 1640.¹² Luego, a comienzos del siglo XVIII, algunas minas inglesas comienzan a depender de motores de vapor, los primeros motores principales inanimados impulsados por la combustión de combustible fósil.

Estos motores tempranos son tan ineficientes que solo pueden desplegarse en minas donde el suministro de combustible está fácilmente disponible y no requiere transporte.¹³ Pero durante generaciones, el Reino Unido sigue siendo la nación más interesante para la sonda alienígena porque es un adoptante excepcionalmente temprano. Incluso para 1800, la extracción combinada de carbón en unos pocos países europeos y en los Estados Unidos es una fracción pequeña de la producción británica.

Para 1800, una sonda que pase observará que, en todo el planeta, los combustibles vegetales todavía suministran más del 98 % de todo el calor y la luz utilizados por los bípedos dominantes, y que los músculos humanos y animales aún proporcionan más del 90 % de toda la energía mecánica necesaria en la agricultura, la construcción y la manufactura. En el Reino Unido, donde James Watt introdujo una máquina de vapor mejorada durante la década de 1770, la empresa Boulton & Watt comienza a construir motores cuya potencia promedio equivale a la de 25 caballos fuertes. Sin embargo, para 1800, han vendido menos de 500 de estas máquinas, apenas afectando el total de energía suministrada por caballos y trabajadores esforzados.¹⁴

Incluso para 1850, el aumento de la extracción de carbón en Europa y América del Norte proporciona no más del 7 % de toda la energía de los combustibles, casi la mitad de toda la energía cinética útil proviene de animales de tiro, alrededor del 40 % de los músculos humanos, y solo el 15 % de los tres motores principales inanimados: ruedas hidráulicas, molinos de viento y las máquinas de vapor, que se expanden lentamente. El mundo de 1850 se parece mucho más al de 1700, o incluso al de 1600, que al del año 2000.

Pero para 1900, la proporción global tanto de combustibles fósiles como renovables, así como de motores principales, cambia considerablemente. Las fuentes modernas de energía (carbón y algo de petróleo crudo) proporcionan la mitad de toda la energía primaria, mientras que los combustibles tradicionales (madera, carbón vegetal, paja) constituyen la otra mitad. Las turbinas hidráulicas en centrales hidroeléctricas generan la primera electricidad primaria durante la década de 1880; después llegan la electricidad geotérmica y, tras la Segunda Guerra Mundial, la electricidad nuclear, solar y eólica (las nuevas renovables). Pero para 2020, más de la mitad de la electricidad mundial todavía será generada por la combustión de combustibles fósiles, principalmente carbón y gas natural.

Para 1900, los motores principales inanimados suministran alrededor de la mitad de toda la energía mecánica: las máquinas de vapor alimentadas con carbón hacen la mayor contribución, seguidas por ruedas hidráulicas mejoradas y nuevas turbinas hidráulicas (introducidas por primera vez durante la década de 1830), molinos de viento, las nuevas turbinas de vapor (desde finales de la década de 1880) y los motores de combustión interna (alimentados por gasolina, también introducidos por primera vez en la década de 1880).¹⁵

Para 1950, los combustibles fósiles suministran casi tres cuartas partes de la energía primaria (todavía dominados por el carbón), y los motores principales inanimados —ahora liderados por los motores de combustión interna alimentados con gasolina y diésel— proporcionan más del 80 % de toda la energía mecánica. Y para el año 2000, solo las personas pobres en países de bajos ingresos dependen de combustibles de biomasa, mientras que la madera y la paja aportan apenas alrededor del 12 % de la energía primaria mundial. Los motores principales animados tienen solo un 5 % de la energía mecánica, ya que los esfuerzos humanos y el trabajo de animales de tiro han sido casi completamente desplazados por máquinas impulsadas por combustibles líquidos o motores eléctricos.

Durante los últimos dos siglos, las sondas alienígenas habrán sido testigos de una rápida sustitución global de fuentes de energía primaria, acompañada por la expansión y diversificación del suministro de energía fósil, así como de la no menos rápida introducción, adopción y aumento de capacidad de nuevos motores principales inanimados: primero las máquinas de vapor alimentadas por carbón, luego los motores de combustión interna (pistones y turbinas). La visita más reciente observaría una sociedad verdaderamente global, construida y definida por conversiones masivas, estacionarias y móviles, de carbono fósil, desplegadas en todo el mundo salvo en algunas regiones deshabitadas del planeta.

Usos modernos de la energía

¿Qué diferencia ha supuesto esta movilización de energías extrasomáticas? El suministro global de energía primaria generalmente se refiere a la producción total (bruta), pero es más revelador observar la energía que realmente está disponible para ser convertida en formas útiles. Para hacerlo, debemos restar las pérdidas antes del consumo (durante la clasificación y limpieza del carbón, el refinamiento del petróleo crudo y el procesamiento del gas natural), el uso no energético (principalmente como materias primas para las industrias químicas, también como aceites lubricantes para máquinas que van desde bombas hasta turbinas de aviones y como materiales de pavimentación) y las pérdidas durante la transmisión eléctrica. Con estos ajustes —y redondeando significativamente para evitar impresiones de una precisión no justificada— mis cálculos muestran un aumento de 60 veces en el uso de combustibles fósiles durante el siglo XIX, un incremento de 16 veces durante el siglo XX y aproximadamente un aumento de 1,500 veces en los últimos 220 años.¹⁶

Esta creciente dependencia de los combustibles fósiles es el factor más importante para explicar los avances de la civilización moderna, así como nuestras preocupaciones subyacentes sobre la vulnerabilidad de su suministro y los impactos ambientales de su combustión. En realidad, el incremento energético fue sustancialmente mayor que el aumento de 1,500 veces mencionado, porque debemos tener en cuenta el aumento concurrente en las eficiencias promedio de conversión.¹⁷ En 1800, la combustión de carbón en estufas y calderas para producir calor y agua caliente no era más que un 25–30 % eficiente, y solo el 2 % del carbón consumido por las máquinas de vapor se convertía en trabajo útil, resultando en una eficiencia general de conversión que no superaba el 15 %. Un siglo más tarde, mejores estufas, calderas y motores elevaron la eficiencia general a casi el 20 %, y para el año 2000 la tasa promedio de conversión era de aproximadamente el 50 %. Como consecuencia, el siglo XX vio un incremento de cerca de 40 veces en energía útil; desde 1800, el aumento fue de aproximadamente 3,500 veces.

Para obtener una imagen aún más clara de la magnitud de estos cambios, debemos expresar estas tasas en términos per cápita. La población global aumentó de 1,000 millones en 1800 a 1,600 millones en 1900 y 6,100 millones en el año 2000. Por lo tanto, el suministro de energía útil por persona aumentó (todos los valores en gigajulios per cápita) de 0.05 en 1800 a 2.7 en 1900 y a aproximadamente 28 en el año 2000. El ascenso de China en el escenario mundial después del 2000 fue la razón principal de un nuevo incremento en la tasa global a aproximadamente 34 GJ/cápita para 2020. Un habitante promedio de la Tierra hoy en día tiene a su disposición casi 700 veces más energía útil que sus ancestros a principios del siglo XIX.

Además, dentro de la vida de personas nacidas justo después de la Segunda Guerra Mundial, la tasa se ha más que triplicado, pasando de aproximadamente 10 a 34 GJ/cápita entre 1950 y 2020.

Traduciendo esta tasa a equivalentes más fáciles de imaginar, es como si un habitante promedio de la Tierra tuviera cada año a su disposición personal aproximadamente 800 kilogramos (0.8 toneladas, o casi seis barriles) de petróleo crudo, o alrededor de 1.5 toneladas de buen carbón bituminoso. Y, en términos de trabajo físico, es como si 60 adultos trabajaran sin parar, día y noche, para cada persona promedio; para los habitantes de países ricos, este equivalente de adultos trabajando constantemente sería, dependiendo del país, mayormente entre 200 y 240. En promedio, los seres humanos ahora tienen cantidades de energía sin precedentes a su disposición.

Las consecuencias de esto en términos de esfuerzo humano, horas de trabajo físico, tiempo de ocio y el nivel de vida general son evidentes. Una abundancia de energía útil subyace y explica todos los avances: desde una mejor alimentación hasta los viajes a gran escala; desde la mecanización de la producción y el transporte hasta la comunicación personal electrónica instantánea, que se han convertido en normas más que en excepciones en todos los países ricos. Los cambios recientes a nivel nacional varían ampliamente: como era de esperarse, son menores en aquellos países de altos ingresos cuyo uso per cápita de energía ya era relativamente alto hace un siglo, y mayores en las naciones que han experimentado la modernización más rápida de sus economías desde 1950, especialmente Japón, Corea del Sur y China. Entre 1950 y 2020, Estados Unidos aproximadamente duplicó la energía útil per cápita proporcionada por combustibles fósiles y electricidad primaria (a cerca de 150 gigajulios); en Japón la tasa se quintuplicó (a casi 80 GJ/cápita), y China experimentó un asombroso aumento de más de 120 veces (a cerca de 50 GJ/cápita).¹⁸

Trazar la trayectoria del uso de energía útil resulta tan revelador porque la energía no es solo otro componente en las complejas estructuras de la biosfera, las sociedades humanas y sus economías, ni simplemente otra variable en ecuaciones intrincadas que determinan la evolución de estos sistemas interconectados. Las conversiones de energía son la base misma de la vida y la evolución. La historia moderna puede verse como una secuencia inusualmente rápida de transiciones hacia nuevas fuentes de energía, y el mundo moderno es el resultado acumulativo de sus conversiones.

Los físicos fueron los primeros en reconocer la importancia fundamental de la energía en los asuntos humanos. En 1886, Ludwig Boltzmann, uno de los fundadores de la termodinámica, habló sobre la energía libre —energía disponible para conversiones— como el Kampfobjekt (el objeto de lucha) de la vida, que depende en última instancia de la radiación solar entrante.¹⁹ Erwin Schrödinger, ganador del Premio Nobel de Física en 1933, resumió la base de la vida: “De lo que se alimenta un organismo es de entropía negativa” (entropía negativa o negentropía = energía libre).²⁰ Durante la década de 1920, siguiendo esta percepción fundamental de los físicos del siglo XIX y principios del XX, el matemático y estadístico estadounidense Alfred Lotka concluyó que aquellos organismos que mejor capturan la energía disponible tienen la ventaja evolutiva.²¹

A principios de la década de 1970, el ecólogo estadounidense Howard Odum explicó que “todo progreso se debe a subsidios energéticos especiales, y el progreso se evapora siempre y dondequiera que estos se eliminan”.²² Más recientemente, el físico Robert Ayres ha enfatizado repetidamente en sus escritos la noción central de la energía en todas las economías: “el sistema económico es esencialmente un sistema para extraer, procesar y transformar la energía como recursos en energía incorporada en productos y servicios”.²³ En términos simples, la energía es la única moneda verdaderamente universal, y nada (desde las rotaciones galácticas hasta las efímeras vidas de los insectos) puede ocurrir sin sus transformaciones.²⁴

Dadas todas estas realidades fácilmente verificables, es difícil entender por qué la economía moderna —ese conjunto de explicaciones y preceptos cuyos practicantes ejercen más influencia sobre las políticas públicas que cualquier otro grupo de expertos— ha ignorado en gran medida la energía. Como señaló Ayres, la economía no solo carece de una conciencia sistemática de la importancia de la energía para el proceso físico de producción, sino que asume “que la energía no importa (mucho) porque la proporción de costos de la energía en la economía es tan pequeña que puede ignorarse… como si la producción pudiera lograrse únicamente con trabajo y capital, o como si la energía fuera simplemente una forma de capital creado por el hombre que puede producirse (en lugar de extraerse) con trabajo y capital.”²⁵

Los economistas modernos no reciben recompensas ni premios por preocuparse por la energía, y las sociedades modernas solo se interesan por ella cuando el suministro de alguna forma comercial principal de energía parece estar amenazado y sus precios se disparan. El Ngram Viewer de Google, una herramienta que permite observar la popularidad de términos en fuentes impresas entre 1500 y 2019, ilustra este punto: durante el siglo XX, la frecuencia del término “precio de la energía” permaneció bastante insignificante, hasta que un aumento repentino comenzó a principios de la década de 1970 (causado por el quíntuple aumento de los precios del petróleo crudo por parte de la OPEP; detalles que se explican más adelante en este capítulo) y alcanzó su punto máximo a principios de la década de 1980. Una vez que los precios bajaron, siguió un descenso igualmente pronunciado, y para 2019 el término “precio de la energía” se mencionaba con la misma frecuencia que en 1972.

Comprender cómo funciona realmente el mundo no puede lograrse sin al menos un mínimo de alfabetización energética. En este capítulo, primero explicaré que la energía puede no ser fácil de definir, pero sí lo es evitar el error común de confundirla con el poder. Veremos cómo diferentes formas de energía (con sus ventajas y desventajas específicas) y diferentes densidades energéticas (energía almacenada por unidad de masa o volumen, crucial para el almacenamiento y portabilidad de energía) han afectado diversas etapas del desarrollo económico. Además, ofreceré algunas evaluaciones realistas de los desafíos que enfrentamos en la transición hacia sociedades que dependen cada vez menos del carbono fósil. Como veremos, nuestra civilización depende tan profundamente de los combustibles fósiles que la próxima transición llevará mucho más tiempo de lo que la mayoría de las personas cree.

¿Qué es la energía?

¿Cómo definimos esta cantidad fundamental? La etimología griega es clara. Aristóteles, escribiendo en su Metafísica, combinó ἐν (en, “dentro”) con ἔργον (ergon, “trabajo”) y concluyó que todos los objetos se mantienen por ἐνέργεια (enérgeia).²⁶ Esta comprensión dotó a todos los objetos con el potencial de acción, movimiento y cambio —una caracterización no muy alejada del potencial para transformarse en otras formas, ya sea mediante elevación, lanzamiento o combustión.

Poco cambió en los dos milenios siguientes. Eventualmente, Isaac Newton (1643–1727) estableció las leyes físicas fundamentales relacionadas con la masa, la fuerza y el momento, y su segunda ley del movimiento hizo posible derivar las unidades básicas de energía. Usando unidades científicas modernas, 1 joule es la fuerza de 1 newton —es decir, la masa de 1 kilogramo acelerada por 1 m/s² actuando sobre una distancia de 1 metro.²⁷ Sin embargo, esta definición se refiere únicamente a la energía cinética (mecánica) y ciertamente no proporciona una comprensión intuitiva de la energía en todas sus formas.

Nuestra comprensión práctica de la energía se amplió enormemente durante el siglo XIX gracias a los experimentos proliferantes de la época con combustión, calor, radiación y movimiento.²⁸ Esto llevó a lo que aún es la definición más común de energía: “la capacidad de realizar trabajo”, una definición válida solo cuando el término “trabajo” no significa únicamente algún esfuerzo invertido, sino, como uno de los principales físicos de la época lo expresó, un “acto físico generalizado de producir un cambio de configuración en un sistema en oposición a una fuerza que resiste ese cambio”.²⁹ Pero eso también sigue siendo demasiado newtoniano para ser intuitivo.

No hay mejor manera de responder a la pregunta “¿qué es la energía?” que refiriéndose a uno de los físicos más perspicaces del siglo XX: la mente proteica de Richard Feynman, quien, en sus famosas Lectures on Physics, abordó el desafío de manera directa, subrayando que “la energía tiene un gran número de formas diferentes, y hay una fórmula para cada una de ellas. Estas son: energía gravitacional, energía cinética, energía térmica, energía elástica, energía eléctrica, energía química, energía radiante, energía nuclear y energía de masa”.

Y luego llega a esta conclusión tan desarmante como indiscutible:

“Es importante darse cuenta de que en la física de hoy, no tenemos conocimiento de qué es la energía. No tenemos una imagen de que la energía venga en pequeñas gotas de una cantidad definida. No es así. Sin embargo, hay fórmulas para calcular ciertas cantidades numéricas, y cuando las sumamos todas, da… siempre el mismo número. Es algo abstracto en el sentido de que no nos dice el mecanismo o las razones de las diversas fórmulas”.³⁰

Y así ha sido. Podemos usar fórmulas para calcular, con gran precisión, la energía cinética de una flecha en movimiento o de un avión en crucero, la energía potencial de una roca masiva a punto de caer desde una montaña, la energía térmica liberada por una reacción química, o la energía luminosa (radiante) de una vela parpadeante o de un láser apuntado. Sin embargo, no podemos reducir estas energías a una sola entidad fácilmente describible en nuestra mente.

Pero la naturaleza escurridiza de la energía no ha preocupado a los ejércitos de expertos instantáneos: desde principios de la década de 1970, cuando la energía se convirtió en un tema principal del discurso público, han opinado sobre asuntos energéticos con ignorancia y entusiasmo. La energía es uno de los conceptos más elusivos y mal entendidos, y una comprensión deficiente de las realidades básicas ha llevado a muchas ilusiones y desilusiones. Como hemos visto, la energía existe en diversas formas, y para hacerla útil necesitamos convertir una de sus formas en otra. Pero tratar esta abstracción multifacética como un monolito ha sido la norma, como si las diferentes formas de energía fueran fácilmente intercambiables.

Algunas de estas sustituciones son relativamente fáciles y beneficiosas. Reemplazar velas (la energía química de la cera transformada en energía radiante) por luces eléctricas alimentadas por electricidad generada en turbinas de vapor (la energía química de los combustibles transformada primero en calor, luego en energía eléctrica y finalmente en energía radiante) resultó en muchos beneficios evidentes (una energía más segura, brillante, económica y confiable). Reemplazar locomotoras de vapor y diésel por trenes eléctricos ha permitido un transporte menos costoso, más limpio y más rápido: todos los trenes modernos de alta velocidad son eléctricos. Sin embargo, muchas sustituciones deseables siguen siendo más costosas, posibles pero irrealizables económicamente por el momento, o imposibles a las escalas requeridas, sin importar cuán fervorosamente se elogien sus virtudes.

Los coches eléctricos son un ejemplo común de la primera categoría: ya están disponibles y los mejores modelos son bastante confiables, pero en 2020 todavía eran más caros que vehículos de tamaño similar alimentados por motores de combustión interna. En cuanto a la segunda categoría, como detallaré en el próximo capítulo, la síntesis del amoníaco necesario para producir fertilizantes nitrogenados depende en gran medida del gas natural como fuente de hidrógeno. El hidrógeno podría producirse mediante la descomposición (electrólisis) del agua, pero esta ruta sigue siendo casi cinco veces más cara que derivar el elemento del abundante y económico metano, y aún no hemos creado una industria de hidrógeno a gran escala. Finalmente, el vuelo comercial de larga distancia impulsado por electricidad (equivalente a un Boeing 787 alimentado con queroseno volando de Nueva York a Tokio) es el ejemplo más destacado de la última categoría: como veremos, esta conversión energética seguirá siendo irrealizable durante mucho tiempo.

La primera ley de la termodinámica establece que no se pierde energía durante las conversiones: ya sea química a química al digerir alimentos; química a mecánica al mover músculos; química a térmica al quemar gas natural; térmica a mecánica al hacer girar una turbina; mecánica a eléctrica en un generador; o eléctrica a electromagnética al iluminar la página que estás leyendo. Sin embargo, todas las conversiones de energía eventualmente resultan en calor de baja temperatura disipado: no se ha perdido energía, pero su utilidad, su capacidad para realizar un trabajo útil, ha desaparecido (la segunda ley de la termodinámica).³¹

Todas las formas de energía pueden medirse en las mismas unidades: el joule es la unidad científica; las calorías se utilizan con frecuencia en estudios nutricionales. En el próximo capítulo, cuando detalle los enormes subsidios energéticos necesarios para la producción moderna de alimentos, encontraremos la realidad existencial de las diferentes calidades de energía. Producir carne de pollo requiere energías cuyo total es varias veces mayor que el contenido energético de la carne comestible. Aunque podemos calcular la relación de subsidios en términos de cantidades de energía (joules invertidos/joules obtenidos), existe, evidentemente, una diferencia fundamental entre los insumos y los productos: no podemos digerir diésel o electricidad, mientras que la carne magra de pollo es un alimento casi perfectamente digerible que contiene proteínas de alta calidad, un macronutriente indispensable que no puede ser reemplazado por una cantidad equivalente de energía proveniente de lípidos o carbohidratos.

Hay muchas opciones disponibles cuando se trata de conversiones de energía, algunas mucho mejores que otras. Las altas densidades de energía química en el queroseno y el diésel son ideales para vuelos intercontinentales y transporte marítimo, pero si quieres que tu submarino permanezca sumergido mientras cruza el océano Pacífico, la mejor opción es fisión de uranio enriquecido en un pequeño reactor para producir electricidad.³² De vuelta en tierra, los grandes reactores nucleares son los productores de electricidad más confiables: algunos ahora la generan el 90–95 % del tiempo, en comparación con alrededor del 45 % para las mejores turbinas eólicas marinas y el 25 % para las celdas fotovoltaicas incluso en los climas más soleados; mientras que los paneles solares de Alemania producen electricidad solo alrededor del 12 % del tiempo.³³

Esto es física o ingeniería eléctrica básica, pero es notable cuán a menudo se ignoran estas realidades. Otro error común es confundir energía con potencia, y esto ocurre aún más frecuentemente. Traiciona una ignorancia de la física básica que, lamentablemente, no se limita al uso cotidiano. La energía es un escalar, que en física es una cantidad descrita solo por su magnitud; el volumen, la masa, la densidad, el tiempo y la velocidad son otros escalares comunes. La potencia mide la energía por unidad de tiempo y, por lo tanto, es una tasa (en física, una tasa mide el cambio, comúnmente por tiempo).

Los establecimientos que generan electricidad suelen llamarse centrales eléctricas (power plants), pero la potencia es simplemente la tasa de producción o uso de energía. La potencia es igual a la energía dividida por el tiempo: en unidades científicas, es vatios = joules/segundos. La energía es igual a la potencia multiplicada por el tiempo: joules = vatios × segundos. Si enciendes una pequeña vela votiva en una iglesia romana, podría arder durante 15 horas, convirtiendo la energía química de la cera en calor (energía térmica) y luz (energía electromagnética) con una potencia promedio de casi 40 vatios.³⁴

Lamentablemente, incluso publicaciones de ingeniería a menudo escriben sobre una “central eléctrica que genera 1,000 MW de electricidad,” pero eso es imposible. Una central generadora puede tener una potencia instalada (nominal) de 1,000 megavatios —es decir, puede producir electricidad a esa tasa— pero al hacerlo generaría 1,000 megavatios-hora o (en unidades científicas básicas) 3.6 billones de joules en una hora (1,000,000,000 vatios × 3,600 segundos). Por analogía, la tasa metabólica basal de un hombre adulto (la energía requerida en reposo completo para realizar las funciones esenciales del cuerpo) es de aproximadamente 80 vatios, o 80 joules por segundo; permaneciendo acostado todo el día, un hombre de 70 kilogramos necesitaría aún alrededor de 7 megajulios (80 × 24 × 3,600) de energía alimentaria, o aproximadamente 1,650 kilocalorías, para mantener su temperatura corporal, energizar su corazón latiendo y llevar a cabo innumerables reacciones enzimáticas.³⁵

Más recientemente, una comprensión deficiente de la energía ha llevado a los defensores de un nuevo mundo verde a pedir ingenuamente un cambio casi instantáneo de los combustibles fósiles abominables, contaminantes y finitos a la electricidad solar superior, verde y siempre renovable. Sin embargo, los hidrocarburos líquidos refinados del petróleo crudo (gasolina, queroseno de aviación, diésel, fuelóleo residual) tienen las mayores densidades energéticas de todos los combustibles comúnmente disponibles, lo que los hace sumamente adecuados para energizar todos los modos de transporte. Aquí tienes una escala de densidad (todas las tasas en gigajulios por tonelada): madera secada al aire, 16; carbón bituminoso (dependiendo de la calidad), 24–30; queroseno y combustibles diésel, aproximadamente 46. En términos de volumen (todas las tasas en gigajulios por metro cúbico), las densidades energéticas son solo de aproximadamente 10 para la madera, 26 para un buen carbón y 38 para el queroseno. El gas natural (metano) contiene solo 35 MJ/m³ —menos de 1/1,000 de la densidad del queroseno.³⁶

Las implicaciones de la densidad energética —al igual que de las propiedades físicas del combustible— para el transporte son obvias. Los transatlánticos impulsados por motores de vapor no utilizaban madera porque, todo lo demás igual, la leña ocuparía 2.5 veces el volumen del carbón bituminoso necesario para un cruce transatlántico (y sería al menos un 50 % más pesada), reduciendo significativamente la capacidad del barco para transportar personas y mercancías. No puede haber vuelo alimentado con gas natural, ya que la densidad energética del metano es tres órdenes de magnitud menor que la del queroseno de aviación, y tampoco vuelo alimentado con carbón: la diferencia de densidad no es tan grande, pero el carbón no podría fluir desde los tanques de las alas hasta los motores.

Y las ventajas de los combustibles líquidos van mucho más allá de su alta densidad energética. A diferencia del carbón, el petróleo crudo es mucho más fácil de extraer (no es necesario enviar mineros bajo tierra ni dañar paisajes con grandes minas a cielo abierto), almacenar (en tanques o bajo tierra; debido a la mayor densidad energética del petróleo, cualquier espacio cerrado puede almacenar típicamente un 75 % más de energía como combustible líquido que como carbón) y distribuir (a nivel intercontinental por petroleros y por tuberías, el modo más seguro de transferencia masiva a larga distancia), lo que lo hace fácilmente disponible bajo demanda.³⁷

El petróleo crudo necesita ser refinado para separar la compleja mezcla de hidrocarburos en combustibles específicos —la gasolina siendo el más ligero; el fuelóleo residual, el más pesado— pero este proceso produce combustibles más valiosos para usos específicos y también productos no combustibles indispensables, como los lubricantes.

Los lubricantes son necesarios para minimizar la fricción en todo, desde los masivos motores turbofan de los aviones de fuselaje ancho hasta los rodamientos en miniatura.³⁸ A nivel mundial, el sector automotriz, ahora con más de 1.4 mil millones de vehículos en circulación, es el mayor consumidor, seguido por su uso en la industria —los mercados más grandes son textiles, energía, productos químicos y procesamiento de alimentos— y en embarcaciones oceánicas. El uso anual de estos compuestos ahora supera las 120 megatoneladas (en comparación, la producción global de todos los aceites comestibles, desde oliva hasta soja, es actualmente de aproximadamente 200 megatoneladas al año). Debido a que las alternativas disponibles —lubricantes sintéticos hechos de compuestos más simples, pero a menudo aún derivados del petróleo— son más costosas, esta demanda seguirá creciendo a medida que estas industrias se expandan en todo el mundo.

Otro producto derivado del petróleo crudo es el asfalto. La producción mundial de este material negro y pegajoso asciende actualmente a aproximadamente 100 megatoneladas, con el 85 % destinado a pavimentación (mezclas de asfalto caliente y tibio) y la mayor parte del resto a techado.³⁹ Además, los hidrocarburos tienen otro uso no combustible indispensable: como materia prima para muchas síntesis químicas diferentes (dominadas por etano, propano y butano provenientes de líquidos de gas natural), que producen una variedad de fibras sintéticas, resinas, adhesivos, tintes, pinturas y recubrimientos, detergentes y pesticidas, todos vitales en innumerables aspectos de nuestro mundo moderno.⁴⁰ Dados estos beneficios y ventajas, era predecible —de hecho, inevitable— que nuestra dependencia del petróleo crudo aumentara una vez que el producto se hizo más accesible y se pudo entregar de manera confiable a escala global.

El cambio del carbón al petróleo crudo tomó generaciones para lograrse. La extracción comercial de petróleo crudo comenzó durante la década de 1850 en Rusia, Canadá y los EE.UU. Los pozos, perforados utilizando el antiguo método de percusión que consistía en levantar y dejar caer una pesada broca de corte, eran poco profundos, sus productividades diarias eran bajas, y el queroseno para lámparas (que reemplazó al aceite de ballena y las velas) era el principal producto del refinado simple del petróleo crudo.⁴¹ Solo con la adopción generalizada de motores de combustión interna se crearon nuevos mercados para los productos refinados del petróleo: primero las máquinas alimentadas por gasolina (ciclo Otto) para automóviles, autobuses y camiones; luego las máquinas más eficientes de Rudolf Diesel, alimentadas por una fracción más pesada y barata (diésel) y utilizadas sobre todo en barcos, camiones y maquinaria pesada (para más detalles sobre esto, véase el capítulo 4 sobre la globalización). La difusión de estos nuevos motores principales fue lenta, y los EE.UU. y Canadá fueron los únicos dos países con altas tasas de propiedad de automóviles antes de la Segunda Guerra Mundial.

El petróleo crudo se convirtió en un combustible global, y eventualmente en la fuente de energía primaria más importante del mundo, gracias al descubrimiento de gigantescos yacimientos petrolíferos en el Medio Oriente y en la URSS, y, por supuesto, también gracias a la introducción de grandes petroleros. Algunos de los gigantes del Medio Oriente se perforaron por primera vez en las décadas de 1920 y 1930 (Gachsaran en Irán e Kirkuk en Irak en 1927, Burgan en Kuwait en 1937), pero la mayoría de ellos se descubrieron después de la guerra, incluidos Ghawar (el mayor del mundo) en 1948, Safaniya en 1951 y Manifa en 1957, todos en Arabia Saudita. Los mayores descubrimientos soviéticos se realizaron en 1948 (Romashkino en la cuenca del Volga-Ural) y en 1965 (Samotlor en Siberia Occidental).⁴²

El ascenso y relativo retroceso del petróleo crudo

El uso masivo de automóviles en Europa y Japón, junto con la conversión simultánea de sus economías del carbón al petróleo crudo, y más tarde al gas natural, comenzó solo durante la década de 1950. En esta misma época se expandió el comercio exterior, los viajes (incluidos los primeros aviones de reacción) y el uso de materias primas petroquímicas para la síntesis de amoníaco y plásticos.

La extracción mundial de petróleo crudo se duplicó durante la década de 1950 y, para 1964, el petróleo crudo superó al carbón como el combustible fósil más importante del mundo. Sin embargo, aunque su producción continuó aumentando, el suministro se mantuvo abundante y los precios siguieron cayendo. En términos constantes (ajustados por inflación), el precio mundial del petróleo fue más bajo en 1950 que en 1940, más bajo en 1960 que en 1950 —y aún más bajo en 1970 que en 1960.⁴³

No sorprende que la demanda proviniera de todos los sectores. En términos reales, el petróleo crudo era tan barato que no existían incentivos para usarlo de manera eficiente: las casas estadounidenses en regiones de clima frío, cada vez más calefaccionadas con hornos de petróleo, se construían con ventanas de vidrio simple y sin un aislamiento adecuado en las paredes; la eficiencia promedio de los automóviles estadounidenses en realidad disminuyó entre 1933 y 1973; y las industrias intensivas en energía continuaron operando con procesos ineficientes.⁴⁴ Quizá lo más notable fue que el ritmo de Estados Unidos para reemplazar los antiguos hornos de hogar abierto por hornos de oxígeno superiores para la producción de acero fue mucho más lento que en Japón y Europa Occidental.

A finales de la década de 1960, la ya alta demanda estadounidense de petróleo aumentó en casi un 25 %, y la demanda global creció en casi un 50 %. La demanda europea casi se duplicó entre 1965 y 1973, y las importaciones japonesas se multiplicaron por 2.3.⁴⁵ Como se mencionó, los nuevos descubrimientos de petróleo cubrieron este aumento de la demanda, y el petróleo se vendía esencialmente al mismo precio que en 1950. Sin embargo, esto era demasiado bueno para durar. En 1950, Estados Unidos todavía producía aproximadamente el 53 % del petróleo mundial; para 1970, aunque seguía siendo el mayor productor, su participación cayó a menos del 23 %, y era evidente que el país necesitaría aumentar sus importaciones, mientras que la Organización de Países Exportadores de Petróleo (OPEP) producía el 48 %.

La OPEP, creada en 1960 en Bagdad por solo cinco países para evitar nuevas reducciones de precios, tenía el tiempo de su lado: no era lo suficientemente grande como para imponerse durante la década de 1960, pero para 1970 su participación en la producción, combinada con el declive de la extracción estadounidense (que alcanzó su punto máximo en 1970), hizo imposible ignorar sus demandas.⁴⁶ En abril de 1972, la Comisión de Ferrocarriles de Texas levantó sus límites sobre la producción estatal, renunciando así al control de precios que había mantenido desde la década de 1930. En 1971, Argelia y Libia comenzaron a nacionalizar su producción de petróleo, seguidas por Irak en 1972, el mismo año en que Kuwait, Catar y Arabia Saudita comenzaron la toma gradual de control de sus campos petroleros, que hasta ese momento estaban en manos de corporaciones extranjeras. Luego, en abril de 1973, Estados Unidos eliminó sus límites a la importación de petróleo crudo al este de las Montañas Rocosas.

De repente, el mercado favorecía a los vendedores, y el 1 de octubre de 1973, la OPEP aumentó su precio publicado en un 16 % a $3.01 por barril, seguido de un aumento adicional del 17 % por parte de seis estados árabes del Golfo. Después de la victoria israelí sobre Egipto en el Sinaí en octubre de 1973, la OPEP embargó todas las exportaciones de petróleo a Estados Unidos.

El 1 de enero de 1974, los estados del Golfo elevaron su precio publicado a $11.65 por barril, completando un aumento de 4.5 veces en el costo de esta fuente de energía esencial en un solo año, y esto puso fin a la era de rápida expansión económica que había sido impulsada por el petróleo barato. Entre 1950 y 1973, el producto económico de Europa Occidental casi se triplicó, y el PIB de Estados Unidos más que se duplicó en esa sola generación.

Entre 1973 y 1975, la tasa de crecimiento económico global cayó en aproximadamente un 90 %, y tan pronto como las economías afectadas por los precios más altos del petróleo comenzaron a ajustarse a estas nuevas realidades —sobre todo mediante impresionantes mejoras en la eficiencia energética industrial— la caída de la monarquía iraní y la toma de Irán por una teocracia fundamentalista llevaron a una segunda ola de aumentos en los precios del petróleo, de aproximadamente $13 en 1978 a $34 en 1981, y a otro descenso del 90 % en la tasa global de crecimiento económico entre 1979 y 1982.⁴⁷

Más de $30 por barril era un precio que destruía la demanda, y para 1986 el petróleo volvió a venderse a solo $13 por barril, marcando el inicio de otra ronda de globalización —esta vez centrada en China, cuya rápida modernización fue impulsada por las reformas económicas de Deng Xiaoping y por una inversión extranjera masiva. Dos generaciones después, solo aquellos que vivieron esos años de turbulencia en precios y suministro (o quienes, cada vez menos, estudiaron su impacto) comprenden cuán traumáticas fueron esas dos oleadas de aumentos de precios. Las consecuencias de las reversiones económicas resultantes aún se sienten cuatro décadas después, porque una vez que la demanda de petróleo comenzó a aumentar, muchas de las medidas de ahorro de petróleo se mantuvieron, y algunas —en particular las transiciones hacia usos industriales más eficientes— siguieron intensificándose.⁴⁸

En 1995, la extracción de petróleo crudo finalmente superó el récord de 1979 y continuó aumentando, satisfaciendo la demanda de una China en reforma económica, así como la creciente demanda en otras partes de Asia. Sin embargo, el petróleo no ha recuperado su dominio relativo previo a 1975.⁴⁹ Su participación en el suministro global de energía primaria comercial cayó del 45 % en 1970 al 38 % en el año 2000 y al 33 % en 2019, y ahora es seguro que su declive relativo continuará a medida que el consumo de gas natural y la generación de electricidad por viento y solar sigan aumentando.

Existen enormes oportunidades para generar más electricidad con celdas fotovoltaicas y turbinas eólicas, pero hay una diferencia fundamental entre sistemas que obtienen el 20–40 % de su electricidad de estas fuentes intermitentes (Alemania y España son los mejores ejemplos entre las grandes economías) y un suministro eléctrico nacional que dependa completamente de estos flujos renovables.

En naciones grandes y pobladas, una dependencia completa de estas fuentes renovables requeriría lo que todavía nos falta: ya sea almacenamiento de electricidad a gran escala y a largo plazo (de días a semanas) para respaldar la generación intermitente, o extensas redes de líneas de alta tensión para transmitir electricidad a través de zonas horarias y desde regiones soleadas y ventosas hasta las principales concentraciones urbanas e industriales. ¿Podrían estas nuevas fuentes renovables producir suficiente electricidad para reemplazar no solo la generación actual alimentada por carbón y gas natural, sino también toda la energía suministrada por combustibles líquidos para vehículos, barcos y aviones mediante una electrificación completa del transporte? ¿Y realmente podrían hacerlo, como prometen algunos planes actuales, en solo dos o tres décadas?

Las numerosas ventajas de la electricidad

Si la energía, según Feynman, es “esa cosa abstracta,” entonces la electricidad es una de sus formas más abstractas. No necesitas un conocimiento científico para tener experiencia directa de varios tipos de energía, distinguir sus formas y aprovechar sus conversiones. Los combustibles sólidos o líquidos (energía química) son tangibles (un tronco de árbol, un trozo de carbón, un bidón de gasolina), y su combustión —ya sea en incendios forestales, en cuevas paleolíticas, en locomotoras para producir vapor o en vehículos motorizados— libera calor (energía térmica). Las aguas caídas y corrientes son ejemplos ubicuos de energía gravitacional y cinética que pueden convertirse fácilmente en energía cinética útil (mecánica) mediante simples ruedas hidráulicas de madera. Y convertir la energía cinética del viento en energía mecánica para moler grano o prensar semillas oleaginosas solo requiere un molino de viento y engranajes de madera para transferir el movimiento a las muelas.

En contraste, la electricidad es intangible y no podemos obtener un sentido intuitivo de ella de la misma manera que con los combustibles. Pero sus efectos pueden observarse en la electricidad estática, las chispas y los rayos; pequeñas corrientes pueden sentirse, y corrientes superiores a 100 miliamperios pueden ser mortales. Las definiciones comunes de electricidad no son instintivamente accesibles; requieren un conocimiento previo de términos funcionales como “electrones,” “flujo,” “carga” y “corriente.” Aunque Feynman, en el volumen inicial de sus magistrales Lectures on Physics, fue bastante breve —”existe energía eléctrica, que tiene que ver con empujar y tirar por cargas eléctricas”— cuando volvió al tema en detalle en el segundo volumen, tratando las energías mecánicas y eléctricas y las corrientes continuas, lo hizo utilizando cálculo.⁵⁰

Para la mayoría de sus habitantes, el mundo moderno está lleno de cajas negras, dispositivos cuyos mecanismos internos son, en diferentes grados, un misterio para sus usuarios. La electricidad puede considerarse como un sistema de caja negra ubicuo y definitivo: aunque muchas personas tienen una idea bastante clara de lo que entra (combustión de combustibles fósiles en una planta térmica; agua en caída en una central hidroeléctrica; radiación solar absorbida por una celda fotovoltaica; fisión de uranio en un reactor) y todos se benefician de lo que sale (luz, calor, movimiento), solo una minoría entiende completamente lo que ocurre dentro de las plantas generadoras, transformadores, líneas de transmisión y dispositivos de uso final.

El rayo, la demostración natural más común de la electricidad, es demasiado poderoso, demasiado breve (solo una fracción de segundo) y demasiado destructivo como para ser utilizado productivamente. Aunque cualquiera puede generar pequeñas cantidades de electricidad estática frotando materiales adecuados o usar baterías pequeñas que pueden durar horas proporcionando energía a linternas y dispositivos electrónicos portátiles, generar electricidad para uso comercial a gran escala es una tarea costosa y compleja. Su distribución desde el lugar donde se genera hasta las regiones de mayor consumo —ciudades, industrias y formas electrificadas de transporte rápido— es igualmente complicada: requiere transformadores y extensas redes de líneas de transmisión de alta tensión y, tras una transformación adicional, su distribución mediante cables de bajo voltaje, ya sean aéreos o subterráneos, a miles de millones de consumidores.

Incluso en esta era de milagros electrónicos de alta tecnología, sigue siendo imposible almacenar electricidad de manera económica en cantidades suficientes para satisfacer la demanda de una ciudad mediana (500,000 habitantes) durante una o dos semanas, o para abastecer a una megaciudad (más de 10 millones de habitantes) durante solo medio día.⁵¹ Pero, a pesar de estas complicaciones, altos costos y desafíos técnicos, hemos estado esforzándonos por electrificar las economías modernas, y esta búsqueda de una electrificación cada vez mayor continuará porque esta forma de energía combina numerosas ventajas inigualables.

De manera evidente, en el punto de consumo final, el uso de la electricidad es siempre sencillo y limpio, y la mayoría de las veces es también excepcionalmente eficiente. Con solo accionar un interruptor, presionar un botón o ajustar un termostato (ahora, a menudo, mediante un simple gesto o comando de voz), las luces eléctricas, motores, calentadores o enfriadores se activan sin necesidad de voluminosos depósitos de combustible, transportes laboriosos, peligros de combustión incompleta (que emiten monóxido de carbono) ni limpiezas de lámparas, estufas o calderas.

La electricidad es la mejor forma de energía para iluminación: no tiene competidor en ninguna escala de iluminación privada o pública, y pocas innovaciones han tenido un impacto tan grande en la civilización moderna como la capacidad de eliminar los límites de la luz diurna y permitir la iluminación nocturna.⁵² Todas las alternativas previas, desde las velas de cera y lámparas de aceite antiguas hasta las luces de gas y cilindros de queroseno de la era industrial, eran débiles, costosas y altamente ineficientes. La comparación más reveladora de fuentes de luz es en términos de su eficacia luminosa: su capacidad para producir un flujo luminoso medido como el cociente entre el flujo luminoso total (en lúmenes) y la potencia de la fuente (en vatios). Si asignamos a las velas una eficacia luminosa igual a 1, las luces de gas de carbón en las ciudades industriales tempranas producían de 5 a 10 veces más; antes de la Primera Guerra Mundial, las bombillas eléctricas con filamentos de tungsteno emitían hasta 60 veces más; las mejores luces fluorescentes actuales producen alrededor de 500 veces más; y las lámparas de sodio (utilizadas para iluminación exterior) hasta 1,000 veces más.⁵³

Es imposible decidir qué clase de convertidores eléctricos ha tenido un mayor impacto: las luces o los motores. La conversión de electricidad en energía cinética mediante motores eléctricos revolucionó primero casi todos los sectores de la producción industrial y luego penetró en cada nicho doméstico.

Las tareas manuales menos exigentes y aquellas que utilizaban motores de vapor para levantar, prensar, cortar, tejer y otras operaciones industriales fueron casi completamente electrificadas. En los Estados Unidos, esto ocurrió en tan solo cuatro décadas después de la introducción de los primeros motores eléctricos de corriente alterna.⁵⁴ Para 1930, la propulsión eléctrica casi había duplicado la productividad manufacturera estadounidense, y lo hizo nuevamente para finales de la década de 1960.⁵⁵ Paralelamente, los motores eléctricos comenzaron su conquista gradual del transporte ferroviario, comenzando con tranvías eléctricos y luego con trenes de pasajeros.

Hoy en día, el sector servicios domina todas las economías modernas, y su funcionamiento depende completamente de la electricidad.

Los motores eléctricos impulsan ascensores y escaleras mecánicas, climatizan edificios, abren puertas y compactan basura. También son indispensables para el comercio electrónico, ya que alimentan laberintos de cintas transportadoras en gigantescos almacenes. Sin embargo, las unidades más ubicuas son invisibles para las personas que dependen de ellas a diario: son las diminutas unidades que activan los vibradores de los teléfonos móviles. Las más pequeñas miden menos de 4 mm × 3 mm, con un ancho que es menos de la mitad del de la uña meñique de un adulto promedio. Solo puedes ver una desmontando tu teléfono o viendo un vídeo de esa operación en línea.⁵⁶

En algunos países, prácticamente todo el transporte ferroviario está ahora electrificado, y todos los trenes de alta velocidad (hasta 300 km/h) funcionan ya sea con locomotoras eléctricas o con motores montados en múltiples ubicaciones, como es el caso del pionero Shinkansen de Japón, lanzado en 1964.⁵⁷ Incluso los modelos básicos de automóviles tienen ahora entre 20 y 40 pequeños motores eléctricos, con muchos más en los vehículos de alta gama, lo que aumenta el peso del vehículo y el consumo de sus baterías.⁵⁸ En los hogares, además de alimentar la iluminación y todos los dispositivos electrónicos —que ahora incluyen comúnmente sistemas de seguridad— la electricidad domina las tareas mecánicas, suministra tanto calor como refrigeración en las cocinas, proporciona energía para calentar agua y para la calefacción de muchas viviendas.⁵⁹

Sin electricidad, el agua potable en todas las ciudades, así como los combustibles fósiles líquidos y gaseosos en cualquier lugar, serían inaccesibles. Potentes bombas eléctricas suministran agua al sistema municipal, y esta tarea es especialmente exigente en ciudades con alta densidad comercial y residencial, donde el agua debe ser elevada a grandes alturas.⁶¹ Los motores eléctricos operan todas las bombas de combustible necesarias para mover gasolina, queroseno y diésel hacia tanques y alas de aviones. Y aunque las tuberías de distribución de gas contienen grandes cantidades de gas natural —frecuentemente transportado mediante turbinas de gas— en América del Norte, donde domina la calefacción por aire forzado, pequeños motores eléctricos operan los ventiladores que impulsan el aire calentado por gas natural a través de los conductos.⁶¹

La electrificación de las sociedades —es decir, el aumento de la proporción de combustibles convertidos en electricidad en lugar de consumidos directamente— ha sido una tendencia inconfundible. Las nuevas energías renovables, como la solar y eólica (a diferencia de la hidroeléctrica, cuyos orígenes se remontan a 1882), contribuirán fácilmente a esta progresión. Sin embargo, la historia de la generación eléctrica nos recuerda que este proceso está acompañado de muchas complicaciones y complejidades; y que, a pesar de su importancia profunda y creciente, la electricidad todavía proporciona solo una parte relativamente pequeña del consumo energético final mundial: apenas un 18 %.

Antes de accionar un interruptor

Es necesario retroceder a los inicios de la industria para apreciar sus fundamentos, infraestructura y el legado de estos 140 años de desarrollo. La generación comercial de electricidad comenzó en 1882 con tres hitos. Dos de ellos fueron las pioneras estaciones generadoras de carbón diseñadas por Thomas Edison (el Viaducto Holborn en Londres comenzó a operar en enero de 1882; la estación Pearl Street en Nueva York en septiembre de 1882), y el tercero fue la primera estación hidroeléctrica (en el río Fox en Appleton, Wisconsin, también en operación desde septiembre de 1882).⁶²

La generación comenzó a expandirse rápidamente durante la década de 1890, cuando la transmisión por corriente alterna (AC) prevaleció sobre las redes existentes de corriente directa (DC), y cuando nuevos diseños de motores eléctricos AC comenzaron a ser adoptados por la industria y los hogares. En 1900, menos del 2 % de la producción mundial de combustibles fósiles se utilizaba para generar electricidad; para 1950, esa proporción seguía siendo inferior al 10 %; ahora se sitúa en aproximadamente el 25 %.⁶³

La expansión simultánea de la capacidad hidroeléctrica se aceleró durante la década de 1930 con grandes proyectos financiados por el Estado en los EE.UU. y la URSS, alcanzando nuevos máximos tras la Segunda Guerra Mundial. Estos culminaron con la construcción de proyectos de tamaño récord en Brasil (Itaipú, finalizado en 2007, con 14 gigavatios) y China (Tres Gargantas, completado en 2012, con 22.5 gigavatios).⁶⁴ Mientras tanto, la fisión nuclear comenzó a generar electricidad comercial en 1956 en Calder Hall, Reino Unido, experimentó su mayor expansión durante la década de 1980, alcanzó su punto máximo en 2006, y desde entonces ha disminuido ligeramente, situándose en aproximadamente el 10 % de la generación eléctrica mundial.⁶⁵

La generación hidroeléctrica representó cerca del 16 % en 2020; la eólica y solar añadieron casi un 7 %; y el resto (alrededor de dos tercios) provino de grandes estaciones centrales alimentadas principalmente por carbón y gas natural.

No sorprende que la demanda de electricidad haya crecido mucho más rápido que la de todas las demás formas de energía comercial: en los 50 años entre 1970 y 2020, la generación eléctrica global se quintuplicó, mientras que la demanda total de energía primaria solo se triplicó.⁶⁶Además, el crecimiento de la generación de carga base —la cantidad mínima de electricidad que debe suministrarse diariamente, mensualmente o anualmente— se incrementó progresivamente a medida que mayores proporciones de la población se trasladaron a las ciudades.

Décadas atrás, la demanda estadounidense era más baja durante las noches de verano, con tiendas y fábricas cerradas, el transporte público detenido y casi toda la población dormida, con ventanas abiertas. Hoy, las ventanas permanecen cerradas mientras los aires acondicionados zumban toda la noche para permitir dormir durante el clima caluroso y húmedo. En las grandes ciudades y megaciudades, muchas fábricas operan en dos turnos, y muchas tiendas y aeropuertos permanecen abiertos las 24 horas del día. Solo la pandemia de COVID-19 detuvo la operación 24/7 del metro de Nueva York, y el metro de Tokio solo se detiene por cinco horas (el primer tren de la estación de Tokio a Shinjuku sale a las 5:16 a.m., el último a las 0:20 a.m.).⁶⁷

Las imágenes satelitales nocturnas tomadas con años de diferencia muestran cómo las luces de calles, aparcamientos y edificios brillan cada vez más intensamente sobre áreas cada vez más extensas que a menudo se unen con ciudades cercanas para formar enormes conurbaciones iluminadas.⁶⁸

Una altísima confiabilidad en el suministro eléctrico —los administradores de las redes hablan de alcanzar “seis nueves”: con un 99.9999 % de confiabilidad, solo habría 32 segundos de interrupción en un año— es imprescindible en sociedades donde la electricidad alimenta todo, desde luces (en hospitales, pistas de aterrizaje o salidas de emergencia) hasta máquinas de corazón-pulmón y numerosos procesos industriales.⁶⁹ Si la pandemia de COVID-19 trajo interrupciones, angustia y muertes inevitables, esos efectos serían menores en comparación con unos pocos días de un suministro eléctrico severamente reducido en cualquier región densamente poblada. Si se prolongara durante semanas a nivel nacional, sería un evento catastrófico con consecuencias sin precedentes.⁷⁰

Descarbonización: ritmo y escala

No hay escasez de recursos fósiles en la corteza terrestre ni peligro de que el carbón y los hidrocarburos se agoten inminentemente: al nivel de producción de 2020, las reservas de carbón durarían unos 120 años, y las de petróleo y gas unos 50 años. La exploración continua transferiría más de ellos de la categoría de recurso a la de reserva (técnicamente y económicamente viables).

La dependencia de los combustibles fósiles ha creado el mundo moderno, pero las preocupaciones sobre la rapidez relativa del calentamiento global han llevado a demandas generalizadas para eliminar el carbono fósil lo más rápido posible. Idealmente, la descarbonización del suministro global de energía debería avanzar lo suficientemente rápido como para limitar el calentamiento global promedio a no más de 1.5 ºC (en el peor de los casos, 2 ºC). Según la mayoría de los modelos climáticos, esto implicaría reducir las emisiones netas globales de CO2 a cero para 2050 y mantenerlas en valores negativos durante el resto del siglo.

Cabe destacar el adjetivo calificador clave: el objetivo no es una descarbonización total, sino la “neutralidad de carbono” o net zero. Esta definición permite que las emisiones continuas sean compensadas por la (aún inexistente) eliminación a gran escala de CO2 de la atmósfera y su almacenamiento permanente bajo tierra, o mediante medidas temporales como la plantación masiva de árboles.⁷¹ Para 2020, establecer metas de carbono neutral para años terminados en cinco o cero se había convertido en una especie de carrera: más de 100 naciones se han unido, desde Noruega en 2030 y Finlandia en 2035 hasta la Unión Europea, Canadá, Japón y Sudáfrica en 2050, y China (el mayor consumidor mundial de combustibles fósiles) en 2060.⁷²

Dado que las emisiones anuales de CO2 por la combustión de combustibles fósiles superaron los 37 mil millones de toneladas en 2019, alcanzar la meta de carbono neutral para 2050 requerirá una transición energética sin precedentes en términos de ritmo y escala. Un análisis detallado de sus componentes clave revela la magnitud de los desafíos.

La descarbonización de la generación de electricidad puede progresar más rápidamente, ya que los costos de instalación por unidad de capacidad solar o eólica ahora pueden competir con las opciones más económicas basadas en combustibles fósiles. Algunos países ya han transformado considerablemente su generación eléctrica.

Entre las grandes economías, Alemania es el ejemplo más notable: desde el año 2000, ha multiplicado por 10 su capacidad eólica y solar y ha incrementado la participación de las energías renovables (eólica, solar e hidroeléctrica) del 11 % al 40 % de la generación total. Sin embargo, la intermitencia de la electricidad generada por el viento y el sol no representa problemas mientras estas nuevas fuentes renovables suministren proporciones relativamente pequeñas de la demanda total o mientras los déficits puedan compensarse con importaciones.

Como resultado, muchos países ahora producen hasta el 15 % de toda su electricidad a partir de fuentes intermitentes sin necesidad de ajustes importantes. Dinamarca demuestra cómo un mercado relativamente pequeño y bien interconectado puede ir mucho más lejos.⁷³ En 2019, el 45 % de su electricidad provino de la generación eólica, y esta excepcional proporción puede mantenerse sin grandes capacidades de reserva internas, ya que cualquier déficit puede ser fácilmente compensado con importaciones de Suecia (electricidad hidroeléctrica y nuclear) y Alemania (electricidad proveniente de diversas fuentes).

Alemania no podría hacer lo mismo: su demanda es más de 20 veces mayor que la danesa, y el país debe mantener una capacidad de reserva suficiente que pueda activarse cuando las nuevas energías renovables no estén disponibles.⁷⁴ En 2019, Alemania generó 577 teravatios-hora de electricidad, apenas un 5 % más que en 2000, pero su capacidad instalada de generación aumentó aproximadamente un 73 % (de 121 a unos 209 gigavatios). La razón de esta discrepancia es evidente: la capacidad instalada incluye importantes reservas necesarias para compensar la intermitencia de las fuentes renovables.

En 2020, dos décadas después del inicio de la Energiewende, su transición energética deliberadamente acelerada, Alemania seguía necesitando mantener la mayor parte de su capacidad de generación a base de combustibles fósiles (un 89 %, de hecho) para satisfacer la demanda en días nublados y sin viento. Después de todo, en la sombría Alemania, la generación fotovoltaica solo funciona, en promedio, entre el 11 % y el 12 % del tiempo, y la combustión de combustibles fósiles aún producía casi la mitad (48 %) de toda la electricidad en 2020. Además, a medida que aumentaba su participación en la generación eólica, la construcción de nuevas líneas de alta tensión para transmitir esta electricidad desde el norte ventoso hacia las regiones del sur con alta demanda se quedó rezagada. En Estados Unidos, donde serían necesarios proyectos de transmisión mucho más grandes para mover la electricidad eólica de las Grandes Llanuras y la solar del suroeste hacia las áreas costeras de alta demanda, casi ningún plan de larga data para construir estos enlaces se ha realizado.⁷⁵

Por desafiantes que sean estos arreglos, dependen de soluciones técnicamente maduras (y en constante mejora): es decir, de celdas fotovoltaicas más eficientes, grandes turbinas eólicas terrestres y marinas, y transmisión de alta tensión (incluyendo corriente continua de larga distancia). Si los costos, los procesos de permisos y las actitudes de “no en mi patio trasero” no fueran obstáculos, estas técnicas podrían implementarse con relativa rapidez y de manera económica. Además, los problemas de intermitencia de la generación solar y eólica podrían resolverse con un renovado uso de la generación nuclear. Un renacimiento nuclear sería particularmente útil si no logramos desarrollar pronto mejores formas de almacenamiento eléctrico a gran escala.

Necesitamos almacenamiento muy grande (de varios gigavatios-hora) para grandes ciudades y megaciudades, pero hasta ahora la única opción viable para servirlas es el almacenamiento hidroeléctrico por bombeo (pumped hydro storage, PHS): utiliza electricidad más barata de la noche para bombear agua desde un embalse de baja altitud hacia un almacenamiento en altura, y su descarga proporciona generación disponible al instante.⁷⁶ Con electricidad generada de forma renovable, el bombeo podría realizarse siempre que haya capacidad solar o eólica excedente, pero obviamente el PHS solo puede funcionar en lugares con diferencias de elevación adecuadas y su operación consume aproximadamente una cuarta parte de la electricidad generada para el bombeo cuesta arriba del agua.

Otras opciones de almacenamiento energético, como baterías, aire comprimido y supercondensadores, aún tienen capacidades varios órdenes de magnitud inferiores a las necesarias para grandes ciudades, incluso para cubrir un solo día de demanda.⁷⁷

En contraste, los reactores nucleares modernos, si se construyen correctamente y se operan con cuidado, ofrecen formas seguras, duraderas y altamente confiables de generación eléctrica; como ya se señaló, son capaces de operar más del 90 % del tiempo y su vida útil puede superar los 40 años. Sin embargo, el futuro de la generación nuclear sigue siendo incierto. Solo China, India y Corea del Sur están comprometidos con la expansión de sus capacidades. En Occidente, la combinación de altos costos de capital, importantes retrasos en la construcción y la disponibilidad de opciones menos costosas (gas natural en Estados Unidos, viento y solar en Europa) ha hecho que las nuevas capacidades de fisión sean poco atractivas.

Además, los nuevos reactores pequeños, modulares y inherentemente seguros de Estados Unidos (propuestos por primera vez durante la década de 1980) aún no se han comercializado, y Alemania, con su decisión de abandonar toda generación nuclear para 2022, es solo el ejemplo más evidente del sentimiento anti-nuclear profundamente arraigado en gran parte de Europa.

Pero esto podría no durar: incluso la Unión Europea ahora reconoce que no podría acercarse a su extraordinariamente ambicioso objetivo de descarbonización sin reactores nucleares. Sus escenarios de emisiones netas cero para 2050 dejan de lado décadas de estancamiento y abandono de la industria nuclear, y prevén que hasta el 20 % de todo el consumo de energía primaria provenga de la fisión nuclear.⁷⁸ Cabe señalar que esto se refiere al consumo total de energía primaria, no solo a la electricidad. La electricidad representa solo el 18 % del consumo final global de energía, y la descarbonización de más del 80 % de los usos finales de energía —en industrias, hogares, comercio y transporte— será incluso más desafiante que la descarbonización de la generación eléctrica.

La generación eléctrica expandida puede utilizarse para la calefacción de espacios y en muchos procesos industriales que actualmente dependen de combustibles fósiles, pero el rumbo de la descarbonización del transporte moderno de larga distancia sigue siendo incierto.

¿Cuánto tiempo pasará hasta que podamos volar intercontinentalmente en un avión de fuselaje ancho alimentado por baterías? Los titulares de noticias nos aseguran que el futuro del vuelo es eléctrico, ignorando con ingenuidad la enorme brecha entre la densidad energética del queroseno quemado por los motores turbofán y las mejores baterías de ion-litio (Li-ion) actuales que se instalarían en estos hipotéticos aviones eléctricos.

Los motores turbofán que impulsan los aviones comerciales queman combustible con una densidad energética de 46 megajulios por kilogramo (casi 12,000 Wh/kg), convirtiendo energía química en térmica y cinética, mientras que las mejores baterías Li-ion actuales suministran menos de 300 Wh/kg, lo que supone una diferencia de más de 40 veces.⁷⁹ Es cierto que los motores eléctricos son aproximadamente el doble de eficientes en la conversión de energía que las turbinas de gas, por lo que la brecha efectiva de densidad es “solo” de unas 20 veces. Sin embargo, en los últimos 30 años, la densidad máxima de energía de las baterías se ha triplicado, y aunque se triplicara nuevamente, las densidades seguirían estando muy por debajo de los 3,000 Wh/kg para 2050, lejos de permitir que un avión de fuselaje ancho vuele de Nueva York a Tokio o de París a Singapur, algo que llevamos décadas haciendo con Boeings y Airbuses alimentados con queroseno.⁸⁰

Además, no contamos con alternativas comerciales a gran escala para producir, únicamente con electricidad, los cuatro pilares materiales de la civilización moderna: acero, amoníaco, cemento y plásticos. Esto significa que, incluso con un suministro abundante y confiable de electricidad renovable, tendríamos que desarrollar nuevos procesos a gran escala para producir estos materiales.

No es sorprendente que la descarbonización fuera de la generación eléctrica haya progresado lentamente. Alemania pronto generará la mitad de su electricidad a partir de fuentes renovables, pero durante las dos décadas de Energiewende, la participación de los combustibles fósiles en el suministro de energía primaria del país solo ha disminuido del 84 % al 78 %.⁸¹ Los alemanes disfrutan de la velocidad sin restricciones en las Autobahn y de sus frecuentes vuelos intercontinentales, y las industrias alemanas funcionan con gas natural y petróleo. Si el país replica su historial pasado, para 2040 su dependencia de los combustibles fósiles todavía estará cerca del 70 %.

¿Y qué sucede con los países que no han impulsado las energías renovables a costos extraordinarios? Japón es el ejemplo más destacado: en el año 2000, aproximadamente el 83 % de su energía primaria provenía de combustibles fósiles; en 2019, esa proporción aumentó al 90 % debido a la pérdida de generación nuclear tras el accidente de Fukushima y a la necesidad de mayores importaciones de combustible.⁸² Mientras tanto, aunque Estados Unidos ha reducido considerablemente su dependencia del carbón, reemplazándolo con gas natural en la generación de electricidad, el 80 % de su suministro de energía primaria aún provenía de combustibles fósiles en 2019.

En China, la proporción de combustibles fósiles en el suministro de energía primaria cayó del 93 % en 2000 al 85 % en 2019, pero esta disminución relativa estuvo acompañada por casi una triplicación de la demanda de combustibles fósiles del país. El ascenso económico de China fue la principal razón por la cual el consumo mundial de combustibles fósiles aumentó aproximadamente un 45 % durante las dos primeras décadas del siglo XXI, y por la cual, a pesar de la extensa y costosa expansión de las energías renovables, la participación de los combustibles fósiles en el suministro de energía primaria mundial solo disminuyó marginalmente, del 87 % al 84 %.⁸³

La demanda global anual de carbono fósil ahora supera las 10 mil millones de toneladas al año, una masa casi cinco veces mayor que la cosecha anual de todos los granos básicos que alimentan a la humanidad y más del doble de la masa total de agua consumida anualmente por los casi 8 mil millones de habitantes del mundo. Es evidente que desplazar y reemplazar semejante cantidad no es algo que pueda lograrse con objetivos gubernamentales para años terminados en cero o cinco. Tanto la alta participación relativa como la escala de nuestra dependencia del carbono fósil hacen que cualquier sustitución rápida sea imposible: esta no es una impresión personal sesgada ni fruto de un pobre entendimiento del sistema energético global, sino una conclusión realista basada en las realidades de la ingeniería y la economía.

En contraste con las recientes y apresuradas promesas políticas, estas realidades han sido reconocidas por todos los escenarios de suministro energético a largo plazo cuidadosamente elaborados. El Stated Policies Scenario publicado por la Agencia Internacional de la Energía (IEA) en 2020 proyecta que la proporción de combustibles fósiles disminuirá del 80 % de la demanda global total en 2019 al 72 % para 2040. Por su parte, el Sustainable Development Scenario de la IEA, su escenario de descarbonización más agresivo hasta ahora, prevé que los combustibles fósiles abastecerán el 56 % de la demanda global de energía primaria para 2040, lo que hace altamente improbable que esta alta proporción pueda reducirse a casi cero en una sola década.⁸⁴

Sin duda, el mundo desarrollado —dado su nivel de riqueza, capacidades técnicas, alto consumo per cápita y el correspondiente nivel de desperdicio— puede dar pasos impresionantes y relativamente rápidos hacia la descarbonización (en términos claros, debería usar menos energía de cualquier tipo). Pero este no es el caso de más de 5 mil millones de personas cuyo consumo energético es una fracción del de las naciones más ricas, y que necesitan mucho más amoníaco para aumentar sus rendimientos agrícolas y alimentar a sus poblaciones crecientes, así como mucho más acero, cemento y plásticos para construir infraestructuras esenciales.

Lo que necesitamos es emprender una reducción sostenida de nuestra dependencia de las energías que dieron forma al mundo moderno.

Aún desconocemos la mayoría de los detalles de esta transición, pero hay algo que sigue siendo cierto: no será (ni puede ser) un abandono repentino del carbono fósil, ni siquiera su desaparición rápida, sino más bien su declive gradual.⁸⁵

Notas:
1 Nunca podremos precisar este evento: se ha fechado entre hace 3.7 y 2.5 mil millones de años. T. Cardona, “Thinking twice about the evolution of photosynthesis,” Open Biology 9/3 (2019), 180246.
2 A. Herrero y E. Flores, eds., The Cyanobacteria: Molecular Biology, Genomics and Evolution (Wymondham: Caister Academic Press, 2008).
3 M. L. Droser y J. G. Gehling, “The advent of animals: The view from the Ediacaran,” Proceedings of the National Academy of Sciences 112/16 (2015), pp. 4865–4870.
4 G. Bell, The Evolution of Life (Oxford: Oxford University Press, 2015).
5 C. Stanford, Upright: The Evolutionary Key to Becoming Human (Boston: Houghton Miﬄin Harcourt, 2003).
6 La fecha del uso deliberado y controlado más temprano del fuego por los homínidos siempre será incierta, pero la mejor evidencia apunta a que no fue posterior a hace unos 800,000 años: N. Goren-Inbar et al., “Evidence of hominin control of fire at Gesher Benot Ya’aqov, Israel,” Science 304/5671 (2004), pp. 725–727.
7 Wrangham argumenta que cocinar fue uno de los avances evolutivos más importantes: R. Wrangham, Catching Fire: How Cooking Made Us Human (New York: Basic Books, 2009).
8 La domesticación de numerosas especies vegetales se produjo de forma independiente en varias regiones del Viejo y el Nuevo Mundo, pero el Cercano Oriente produjo el primer grupo: M. Zeder, “The origins of agriculture in the Near East,” Current Anthropology 52/Supplement 4 (2011), S221–S235.
9 Los animales de tiro incluyen vacas, búfalos de agua, yaks, caballos, mulas, burros, camellos, llamas, elefantes y (con menor frecuencia) también renos, ovejas, cabras y perros. Además de los equinos (caballos, burros, mulas), solo camellos, yaks y elefantes se han utilizado comúnmente para montar.
10 La evolución de estas máquinas se detalla en V. Smil, Energy and Civilization: A History (Cambridge, MA: MIT Press, 2017), pp. 146–163.
11 P. Warde, Energy Consumption in England and Wales, 1560–2004 (Naples: Consiglio Nazionale delle Ricerche, 2007).
12 Para la historia de la minería de carbón inglesa y británica, véase: J. U. Nef, The Rise of the British Coal Industry (London: G. Routledge, 1932); M. W. Flinn et al., History of the British Coal Industry, 5 vols. (Oxford: Oxford University Press, 1984–1993).
13 R. Stuart, Descriptive History of the Steam Engine (London: Wittaker, Treacher and Arnot, 1829).
14 R. L. Hills, Power from Steam: A History of the Stationary Steam Engine (Cambridge: Cambridge University Press, 1989), p. 70; J. Kanefsky y J. Robey, “Steam engines in 18th-century Britain: A quantitative assessment,” Technology and Culture 21 (1980), pp. 161–186.
15 Estos cálculos son altamente aproximados; incluso si conociéramos los totales exactos de la fuerza laboral y los animales de tiro, aún tendríamos que hacer suposiciones sobre su potencia típica y las horas de trabajo agregadas.
16–18 Los totales reales fueron inferiores a 0.5 EJ en 1800, aumentando a casi 22 EJ para 1900 y a cerca de 350 EJ en el año 2000, alcanzando 525 EJ en 2020. Para un análisis histórico detallado de las transiciones energéticas globales (y nacionales), véase V. Smil, Energy Transitions: Global and National Perspectives (Santa Barbara, CA: Praeger, 2017). Los promedios compuestos de eficiencias energéticas históricas se toman de cálculos realizados por Smil en Energy and Civilization, pp. 297–301. Para las eficiencias de conversión recientes, véase Sankey diagrams of energy flows para el mundo (https://www.iea.org/sankey) o para países individuales. Para los EE. UU., véase https://flowcharts.llnl.gov/content/assets/images/energy/us/Energy_US_2019.png. Los datos para estos cálculos se encuentran en el Energy Statistics Yearbook de las Naciones Unidas (https://unstats.un.org/unsd/energystats/pubs/yearbook/) y en el Statistical Review of World Energy de BP (https://www.bp.com/en/global/corporate/energy-economics/statistical-review-of-world-energy/downloads.html).
19 L. Boltzmann, Der zweite Hauptsatz der mechanischen Wärmetheorie (Conferencia presentada en la “Festive Session” de la Academia Imperial de Ciencias en Viena), 29 de mayo de 1886. Véase también P. Schuster, “Boltzmann and evolution: Some basic questions of biology seen with atomistic glasses,” en G. Gallavotti et al., eds., Boltzmann’s Legacy (Zurich: European Mathematical Society, 2008), pp. 1–26.
20 E. Schrödinger, What Is Life? (Cambridge: Cambridge University Press, 1944), p. 71.
21 A. J. Lotka, “Natural selection as a physical principle,” Proceedings of the National Academy of Sciences 8/6 (1922), pp. 151–154.
22 H. T. Odum, Environment, Power, and Society (New York: Wiley Interscience, 1971), p. 27.
23 R. Ayres, “Gaps in mainstream economics: Energy, growth, and sustainability,” en S. Shmelev, ed., Green Economy Reader: Lectures in Ecological Economics and Sustainability (Berlin: Springer, 2017), p. 40. Véase también R. Ayres, Energy, Complexity and Wealth Maximization (Cham: Springer, 2016).
24 Smil, Energy and Civilization, p. 1.
25 Ayres, “Gaps in mainstream economics,” p. 40.
26 La historia del concepto de energía se detalla ampliamente en J. Coopersmith, Energy: The Subtle Concept (Oxford: Oxford University Press, 2015).
27 R. S. Westfall, Force in Newton’s Physics: The Science of Dynamics in the Seventeenth Century (New York: Elsevier, 1971).
28 C. Smith, The Science of Energy: A Cultural History of Energy Physics in Victorian Britain (Chicago: University of Chicago Press, 1998); D. S. L. Cardwell, From Watt to Clausius: The Rise of Thermodynamics in the Early Industrial Age (London: Heinemann Educational, 1971).
29 J. C. Maxwell, Theory of Heat (London: Longmans, Green, and Company, 1872), p. 101.
30 R. Feynman, The Feynman Lectures on Physics (Redwood City, CA: Addison-Wesley, 1988), vol. 4, p. 2.
31 No faltan libros introductorios sobre termodinámica, pero este sigue destacándose: K. Sherwin, Introduction to Thermodynamics (Dordrecht: Springer Netherlands, 1993).
32 N. Friedman, U.S. Submarines Since 1945: An Illustrated Design History (Annapolis, MD: US Naval Institute, 2018).
33 El factor de capacidad (carga) es la relación entre la generación real y la salida máxima que una unidad puede producir. Por ejemplo, una gran turbina eólica de 5 MW funcionando ininterrumpidamente durante un día generaría 120 MWh de electricidad; si su producción real es solo de 30 MWh, su factor de capacidad es del 25 %. Los factores de capacidad promedio anuales de EE. UU. para 2019 fueron (todos redondeados): 21 % para paneles solares, 35 % para turbinas eólicas, 39 % para estaciones hidroeléctricas y 94 % para estaciones nucleares: Table 6.07.B, “Capacity Factors for Utility Scale Generators Primarily Using Non-Fossil Fuels,” https://www.eia.gov/electricity/monthly/epm_table_grapher.php?t=epmt_6_07_b. La baja capacidad de las celdas solares en Alemania no es una sorpresa: ¡tanto Berlín como Múnich tienen menos horas de sol al año que Seattle!
34 Una vela votiva, con un peso aproximado de 50 g y una densidad energética de la parafina de 42 kJ/g, contiene 2.1 MJ (50 × 42,000) de energía química, y su potencia promedio durante una combustión de 15 horas será de casi 40 W (similar a una bombilla de baja potencia). Sin embargo, en ambos casos, solo una pequeña porción de la energía total se convierte en luz: menos del 2 % para una bombilla incandescente moderna, y apenas un 0.02 % para una vela de parafina. Para pesos y tiempos de combustión de las velas, véase https://www.candlewarehouse.ie/shopcontent.asp?type=burn-times; para eficacias de luz, véase https://web.archive.org/web/20120423123823/http://www.ccri.edu/physics/keefe/light.htm.
35 Los cálculos del metabolismo basal se encuentran en: Joint FAO/WHO/UNU Expert Consultation, Human Energy Requirements (Rome: FAO, 2001), p. 37, http://www.fao.org/3/a-y5686e.pdf.
36 Engineering Toolbox, “Fossil and Alternative Fuels – Energy Content” (2020), https://www.engineeringtoolbox.com/fossil-fuels-energy-content-d_1298.html.
37 V. Smil, Oil: A Beginner’s Guide (London: Oneworld, 2017); L. Maugeri, The Age of Oil: The Mythology, History, and Future of the World’s Most Controversial Resource (Westport, CT: Praeger Publishers, 2006).
38 T. Mang, ed., Encyclopedia of Lubricants and Lubrication (Berlin: Springer, 2014).
39 Asphalt Institute, The Asphalt Handbook (Lexington, KY: Asphalt Institute, 2007).
40 International Energy Agency, The Future of Petrochemicals (Paris: IEA, 2018).
41 C. M. V. Thuro, Oil Lamps: The Kerosene Era in North America (New York: Wallace-Homestead Book Company, 1983).
42 G. Li, World Atlas of Oil and Gas Basins (Chichester: Wiley-Blackwell, 2011); R. Howard, The Oil Hunters: Exploration and Espionage in the Middle East (London: Hambledon Continuum, 2008).
43 R. F. Aguilera y M. Radetzki, The Price of Oil (Cambridge: Cambridge University Press, 2015); A. H. Cordesman y K. R. al-Rodhan, The Global Oil Market: Risks and Uncertainties (Washington, DC: CSIS Press, 2006).
44 El rendimiento promedio de los automóviles estadounidenses era de aproximadamente 16 mpg (15 L/100 km) durante la década de 1930, y fue deteriorándose lentamente durante cuatro décadas, alcanzando solo 13.4 mpg (17.7 L/100 km) en 1973. Los nuevos estándares CAFE (Corporate Average Fuel Economy) lo duplicaron a 27.5 mpg (8.55 L/100 km) para 1985, pero los bajos precios del petróleo posteriores impidieron un progreso significativo hasta 2010. V. Smil, Transforming the Twentieth Century (New York: Oxford University Press, 2006), pp. 203–208.
45 Las estadísticas detalladas sobre la producción y consumo de energía están disponibles en el Energy Statistics Yearbook de las Naciones Unidas y en el Statistical Review of World Energy de BP.
46 S. M. Ghanem, OPEC: The Rise and Fall of an Exclusive Club (London: Routledge, 2016); V. Smil, Energy Food Environment (Oxford: Oxford University Press, 1987), pp. 37–60.
47 J. Buchan, Days of God: The Revolution in Iran and Its Consequences (New York: Simon & Schuster, 2013); S. Maloney, The Iranian Revolution at Forty (Washington, DC: Brookings Institution Press, 2020).
48 Las industrias intensivas en energía (metalurgia, síntesis químicas) fueron los primeros sectores en reducir su consumo específico de energía; el éxito de los estándares CAFE en los Estados Unidos ya se señaló (véase la nota 44); y casi toda la generación de electricidad que previamente dependía de la quema de crudo o fuel oil se convirtió al carbón o al gas natural.
49 Las proporciones del crudo posterior a 1980 se calcularon a partir de los datos de consumo en British Petroleum, Statistical Review of World Energy.
50 Feynman, The Feynman Lectures on Physics, vol. 1, pp. 4–6.
51 Estas preocupaciones ahora afectan a una proporción cada vez mayor de la población mundial; desde 2007, más de la mitad de todas las personas viven en ciudades, y para 2025, aproximadamente el 10 % vivirá en megaciudades.
52 B. Bowers, Lengthening the Day: A History of Lighting (Oxford: Oxford University Press, 1988).
53 V. Smil, “Luminous efficacy,” IEEE Spectrum (April 2019), p. 22.
54 Los primeros usos comerciales de pequeños motores eléctricos de corriente alterna se dieron en los EE. UU. a finales de la década de 1880, y durante la década de 1890, un pequeño ventilador impulsado por un motor de 125 W vendió casi 100,000 unidades: L. C. Hunter y L. Bryant, A History of Industrial Power in the United States, 1780–1930, vol. 3: The Transmission of Power (Cambridge, MA: MIT Press, 1991), p. 202.
55 S. H. Schurr, “Energy use, technological change, and productive efficiency,” Annual Review of Energy 9 (1984), pp. 409–425.
56 Los dos diseños básicos son los motores de vibración con masa excéntrica rotatoria y los motores de vibración lineal. Los motores tipo moneda son ahora las unidades más delgadas disponibles (tan pequeñas como 1.8 mm): https://www.vibrationmotors.com/vibration-motor-product-guide/cell-phone-vibration-motor. Dado que las ventas globales de teléfonos inteligentes alcanzaron 1.37 mil millones de unidades en 2019 (https://www.canalys.com/newsroom/canalys-global-smartphone-market-q4-2019), ningún otro motor eléctrico se fabrica actualmente en cantidades comparables.
57 Los trenes TGV franceses tienen dos coches de potencia cuyos motores tienen una potencia total de 8.8–9.6 MW.
58–62 En la Serie N700 del Shinkansen japonés, 14 de los 16 vagones son coches motorizados con una potencia total de 17 MW: http://www.railway-research.org/IMG/pdf/r.1.3.3.3.pdf. En vehículos de lujo, la masa total de estos pequeños servomotores eléctricos puede ser de hasta 40 kg: G. Ombach, “Challenges and requirements for high volume production of electric motors,” SAE (2017), http://www.sae.org/events/training/symposia/emotor/presentations/2011/GrzegorzOmbach.pdf. Para más información sobre motores eléctricos en electrodomésticos de cocina, véase Johnson Electric, “Custom motor drives for food processors” (2020), https://www.johnsonelectric.com/en/features/custom-motor-drives-for-food-processors.
63 Incluso en los EE. UU., la proporción es solo ligeramente mayor. En 2019, el 27.5 % de todos los combustibles fósiles en EE. UU. (aproximadamente divididos entre carbón y gas natural, con una participación insignificante de combustibles líquidos) se utilizó para generar electricidad: https://flowcharts.llnl.gov/content/assets/images/energy/us/Energy_US_2019.png.
64 International Commission on Large Dams, World Register of Dams (Paris: ICOLD, 2020).
65 International Atomic Energy Agency, The Database of Nuclear Power Reactors (Vienna: IAEA, 2020).
66 Datos de British Petroleum, Statistical Review of World Energy.
67 Tokyo Metro, Tokyo Station Timetable (consultado en 2020), https://www.tokyometro.jp/lang_en/station/tokyo/timetable/marunouchi/a/index.html.
68 Una gran colección de imágenes satelitales nocturnas está disponible en https://earthobservatory.nasa.gov/images/event/79869/earth-at-night.
69 Electric Power Research Institute, Metrics for Micro Grid: Reliability and Power Quality (Palo Alto, CA: EPRI, 2016), http://integratedgrid.com/wp-content/uploads/2017/01/4-Key-Microgrid-Reliability-PQ-metrics.pdf.
70 Durante los períodos de alta mortalidad por COVID-19 no hubo problemas con el suministro eléctrico, pero en algunas ciudades hubo escasez temporal de capacidad mortuoria y fue necesario desplegar camiones refrigerados. La refrigeración mortuoria es otro sector crítico dependiente de motores eléctricos: https://www.fiocchetti.it/en/prodotti.asp?id=7.
71 El concepto reconoce que no será posible eliminar todas las emisiones antropogénicas de CO2, pero tampoco hay consenso sobre cuán sustancial tendría que ser la captura directa del aire ni existen procesos a gran escala y asequibles para hacerlo. Algunas de estas opciones serán consideradas en el capítulo final.
72 United Nations Climate Change, “Commitments to net zero double in less than a year” (September 2020), https://unfccc.int/news/commitments-to-net-zero-double-in-less-than-a-year. Véase también el Climate Action Tracker (https://climateactiontracker.org/countries/).
73 The Danish Energy Agency, Annual Energy Statistics (2020), https://ens.dk/en/our-services/statistics-data-key-figures-and-energy-maps/annual-and-monthly-statistics.
74 Los datos sobre capacidad y generación en Alemania se pueden encontrar en: Bundesverband der Energie-und Wasserwirtschaft, Kraftwerkspark in Deutschland (2018), https://www.bdew.de/energie/kraftwerkspark-deutschland-gesamtfoliensatz/; VGB, Stromerzeugung 2018/2019, https://www.vgb.org/daten_stromerzeugung.html?dfid=93254.
75 Clean Line Energy, la empresa que planeaba desarrollar cinco grandes proyectos de transmisión en los EE. UU., cerró en 2019, y la Plains & Eastern Clean Line, que debía convertirse en el eje de una nueva red estadounidense para 2020 (su declaración de impacto ambiental ya había sido completada en 2014), terminó con la salida del proyecto por parte del Departamento de Energía de EE. UU.; puede que no se construya ni siquiera para 2030.
76 N. Troja y S. Law, “Let’s get flexible—Pumped storage and the future of power systems,” IHA website (September 2020). En 2019, Florida Power and Light anunció el proyecto de almacenamiento en baterías más grande del mundo, el Manatee de 900 MWh, para completarse a finales de 2021. Pero la mayor estación hidroeléctrica de almacenamiento por bombeo (Bath County en los EE. UU.) tiene una capacidad de 24 GWh, 27 veces el futuro almacenamiento de FPL, y la capacidad global de almacenamiento hidroeléctrico por bombeo en 2019 fue de 9 TWh en comparación con unos 7 GWh en baterías, una diferencia de casi 1,300 veces.
77 El almacenamiento de un solo día para una megaciudad de 20 millones de personas tendría que proporcionar al menos 300 GWh, un total más de 300 veces mayor que el mayor almacenamiento en baterías del mundo en Florida.
78 European Commission, Going Climate-Neutral by 2050 (Brussels: European Commission, 2020).
79 En 2019, las baterías de ion-litio en los vehículos eléctricos más vendidos tenían una densidad energética de aproximadamente 250 Wh/kg: G. Bower, “Tesla Model 3 2170 Energy Density Compared to Bolt, Model S1009D,” InsideEVs (February 2019), https://insideevs.com/news/342679/tesla-model-3-2170-energy-density-compared-to-bolt-model-s-p100d/.
80 En enero de 2020, los vuelos programados más largos fueron Newark–Singapur (9,534 km), Auckland–Doha y Perth–Londres, el primero de ellos con una duración aproximada de 18 horas: T. Pallini, “The 10 longest routes flown by airlines in 2019,” Business Insider (April 2020), https://www.businessinsider.com/top-10-longest-flight-routes-in-the-world-2020-4.
81 Bundesministerium für Wirtschaft und Energie, Energiedaten: Gesamtausgabe (Berlin: BWE, 2019).
82 The Energy Data and Modelling Center, Handbook of Japan’s & World Energy & Economic Statistics (Tokyo: EDMC, 2019).
83 Datos de consumo de British Petroleum, Statistical Review of World Energy.
84 International Energy Agency, World Energy Outlook 2020 (Paris: IEA, 2020), https://www.iea.org/reports/world-energy-outlook-2020.
85 V. Smil, “What we need to know about the pace of decarbonization,” Substantia 3/2, supplement 1 (2019), pp. 13–28; V. Smil, “Energy (r)evolutions take time,” World Energy 44 (2019), pp. 10–14. Para una perspectiva diferente, véase Energy Transitions Commission, Mission Possible: Reaching Net-Zero Carbon Emissions from Harder-to-Abate Sectors by Mid-Century (2018), http://www.energy-transitions.org/sites/default/files/ETC_MissionPossible_FullReport.pdf.

Sobre el autor:
Vaclav Smil es Profesor Distinguido Emérito en la Universidad de Manitoba. Es autor de más de cuarenta libros sobre temas como la energía, el cambio ambiental y demográfico, la producción de alimentos y la nutrición, la innovación técnica, la evaluación de riesgos y las políticas públicas. Su obra más reciente para Penguin, Numbers Don’t Lie, se publicó en más de veinte idiomas. Ningún otro científico vivo ha tenido más libros (sobre una amplia variedad de temas) reseñados en la prestigiosa revista científica Nature. Miembro de la Real Sociedad de Canadá, en 2010 fue reconocido por Foreign Policy como uno de los 100 pensadores globales más influyentes.

* Artículo original: “Understanding Energy. Fuels and Electricity”. Capítulo del libro ‘How The World Really Works. A Scientist’s Guide to Our Past, Present and Future’. Traducción: ‘Hypermedia Magazine’.