El intercambio de baterías nos aproxima a la sustentabildiad

Desde hace dos años he estado proponiendo que el intercambio de baterías es una opción que permite sobrepasar algunos de los inconvenientes de la electromovilidad. El sustituir los autos de combustión interna por vehículos eléctricos no resuelve el problema de la movilidad sustentable. Sin embargo, la promoción de la electrificación del transporte público es de lo más importante para acercarnos a esa movilidad sustentable. En esta ocasión regresaré al tema y presento un muy breve resumen de un reporte que publicamos recientemente en libros abiertos de la UNAM. Este reporte fue motivado por LINGO (Leave fossil fuels in the ground), una organización que comparte lo que he dicho muchas veces dejemos el petróleo en la tierra o al menos no lo quememos.

Recordemos que el sector transporte es responsable del 24 % de las emisiones globales de CO2 y en México representa el 33 %. Este sector enfrenta el desafío de descarbonizarse, siendo la electromovilidad una solución clave. Los vehículos eléctricos (VE), que utilizan electricidad de fuentes renovables, ofrecen una opción competitiva y limpia, pero es crucial reducir los costos de las baterías, mejorar su densidad de energía y expandir la red de recarga. A medida que los costos de las baterías disminuyen, los VE serán más viables y económicos.

Para un transporte sustentable, es esencial reducir la cantidad de automóviles y promover el transporte público. Se sugiere el modelo de intercambio de baterías para mantener el transporte público en movimiento, permitiendo a los vehículos intercambiar baterías descargadas por cargadas en estaciones de servicio.

Imagen generada con inteligencia artificial mediante la frase "A stylistic rendering with a single-color background using a gradient of warm, sun-kissed tones. Bold lines capture the essence of a vibrant Latin American city, bustling with activity. In the foreground, a sleek electric bus with a futuristic design stands prominently, plugged into a public transport charging station adorned with photovoltaic panels. The panels gleam in contrasting silver tones, highlighting the integration of sustainable technology. The overall composition celebrates the seamless connection between modern electric public transport, the city's energy, and the surrounding natural world." en leonardo.ai

En otras palabras, en los vehículos de pequeños, medianos o gran tamaño, como los de transporte urbano o comercial rutas urbanas o distribución en distancias cortas, la electrificación del sector puede realizarse con la opción de intercambio de baterías. Efectivamente, en lugar de cargar las baterías de un vehículo y mantenerlo inmóvil durante la carga, se puede llegar a una estación de intercambio y sacar la baterías descargada del vehículo y sustituirla por una con carga completa. Por supuesto, este sistema es fácil y se puede hacer manualmente en vehículos de dos o tres ruedas; pero en autobuses se requiere de maquinaria especial. Se pueden encontrar en YouTube algunos videos para ver cómo funciona en autobuses[3] y similarmente en camiones de carga.

Algunos de los aspectos clave para la implementación y aceptación social de los proyectos de electromovilidad en México incluyen la promoción de normativas, la cooperación y las alianzas, así como programas atractivos para la inversión tanto nacional como privada, y para las entidades usuarias. Es decir, al separar la batería del vehículo se puede administrar adecuadamente la carga y con ello ampliar la vida útil de la batería. Adicionalmente, el espacio destinado para la carga se reduce, pues no se requiere espacio para todo el vehículo, sino se pueden cargar dos o más baterías en el mismo espacio. Al adoptar el modelo de estaciones de intercambio de baterías, estas acciones pueden ser mejor recibidas por la comunidad, ya que eliminan las barreras del modelo tradicional de carga de vehículos y al mismo tiempo pueden ofrecer la opción de almacenamiento de fuentes renovables de energía variables. Estas estaciones de intercambio también pueden ser vistas como fuentes distribuidas de energía en caso de emergencia. Por supuesto, que en cada estación de intercambio sus techos en conjunción con los techos del vecindario podrían ser utilizados para generar parte de la energía en el sitio descentralizando la generación.

El modelo de intercambio de baterías no debe considerarse un reemplazo de los métodos tradicionales de carga, sino una tecnología complementaria que diversifica las opciones disponibles para empresas y usuarios. Asimismo, es crucial recordar que la colaboración y asociación entre diferentes empresas en un negocio de intercambio de baterías ayuda a distribuir los costos de inversión y las ganancias del proyecto, proporcionando resiliencia financiera. El compromiso del gobierno mediante normativas y subsidios que apoyen la electromovilidad aumenta las posibilidades de éxito y adopción de esta tecnología.

Aspectos que son importantes resaltar: a) La administración de la batería aumenta su vida media y posibilita grandemente sus opciones para segundo uso en almacenamiento de energía para usos menos demandantes que los vehículos eléctricos; b) con este manejo adecuado también se posibilita el reciclado de las baterías cuando termine su vida útil y fomenta la creación de negocios con este fin; c) finalmente, al posibilitar un reciclado disminuye la demanda de los materiales que se obtienen de minería disminuyendo sus impactos ambientales.

La propuesta de intercambio de baterías es muy adecuada para las flotillas de transporte urbano, flotillas de empresas que reparten sus productos o grupos personas prestadoras de servicio de transporte de personas o de mercancías, ya que pueden adquirir vehículos que estarán moviéndose en todo momento y sistemas de baterías que se cargarán cuando sea necesario.

Para tener una visión completa de esta opción, les invito a leer el reporte completo sobre “Intercambio de baterías: elemento clave para una electromovilidad sustentable”.

Una versión previa de este artículo fue publicada el día 25 de junio en el periódico La Unión de Morelos.

La evolución y los ODS

Esta semana me sorprendí de leer el título de un artículo: “Liga entre la evolución y sociedad promoviendo los objetivos del desarrollo sustentable de la ONU” (A link between evolution and society fostering the UN sustainable development goals). En mis adentros la liga entre la evolución y la sustentabilidad era algo obvio, pero al leerlo me convencí de que hay aspectos que no estaba considerando a cabalidad. Especialmente tenemos esta situación cuando hacemos referencia a un concepto de otra disciplina, como la teoría de la evolución que no fue acuñada en mi área de especialidad. En este caso la teoría de la evolución que es parte sustancial de los fundamentos teóricos de la biología da elementos cruciales para definir estrategias hacia la sustentabilidad. Con la lectura de este artículo entendí que este marco conceptual es la base de la biodiversidad que fomenta la resiliencia de los ecosistemas ante los cambios que pueden sufrir en su desarrollo.

En este artículo discuten a profundidad los procesos evolutivos como una herramienta para adaptarse a los cambios, en particular, al cambio climático antropogénico. En él se señala que las consecuencias de las capacidades evolutivas no se han considerado en la investigación sobre la sustentabilidad.

Uno de los aspectos más relevantes radica en la argumentación sobre que los conceptos, herramientas metodológicas y los datos colectados mediante las investigaciones de la evolución pueden contribuir a diseñar estrategias que conduzcan a lograr los ODS. Enfáticamente, señalan que la diversidad biológica en los ecosistemas es necesaria para que las poblaciones, humanas o de otras especies, puedan responder adecuadamente a los cambios. En particular, al referirse a la especie humana señalan que la información analizada desde la teoría de la evolución conduce a tomar decisiones sobre aspectos económicos, sociales y por supuesto ambientales que construyan un bienestar sustentable.

Para mí, de lo más interesante fue la tabla donde se plantean las contribuciones evolutivas a los ODS, considero que este ejercicio tiene las bondades de la comunicación hacia sectores amplios de la población humana. 

Imagen generada con inteligencia artificial mediante la frase "abstract image of the interconnectedness between evolution and sustainable development goals. Representing Good Health and Well-being with A stylized medical symbol or a human figure. Also include Affordable and Clean Energy by A stylized solar panel or wind turbine." en leonardo.ai

Por supuesto, en este pequeño espacio no me será posible comentar todos los ejemplos desarrollados en el artículo, pero indicaré algunos a continuación:

Por ejemplo, para lograr el ODS 2: hambre cero; consideran que la diversidad filogenética y genética aumenta la resiliencia al cambio global de los ecosistemas de producción de alimentos. Con esto resaltan que no estamos preparándonos para este cambio climático con los actuales monocultivos y que es imperioso promover esta diversidad genética en los sistemas de producción de alimentos.

En lo referente al ODS 3: salud y bienestar; proponen el uso de la teoría de la evolución para mejorar las predicciones sobre enfermedades emergentes. Los actuales modelos epidemiológicos no usan los mecanismos evolutivos de los agentes infecciosos al mismo tiempo que los mecanismos evolutivos de la población enferma. Esto fue claro en la epidemia del COVID-19, pero puede ser aplicable a las enfermedades de cualquier otra especie que usemos para nuestra alimentación.

Me llamó mucho la atención una de las contribuciones evolutivas para el ODS 10: disminución de las desigualdades; proponen el uso de algoritmos evolutivos para planificar el transporte urbano. Efectivamente, las estrategias que desaliente el transporte individual motorizado pueden ser concebidas mediante el uso de algoritmos genéticos u otras herramientas de inteligencia artificial que construyan sistemas de transporte público limpio y de calidad.

No voy a mencionar aquí todos los ODS, pero considero que si debo abordar el OSD 7: energía asequible y no contaminante; en esta parte le dedican algunas líneas a la biodiversidad en la producción de biocombustibles, aspecto muy relevante. En mi opinión, la biometización para mejorar la eficiencia de las celdas solar es algo ingenuo, ya que la eficiencia fotosintética es menor al 11 % y las eficiencias de las actuales celdas solares son mayores al 30 %. Sin embargo, a lo largo de todo el artículo enfatizan la diversidad como una característica que fomenta la resiliencia y este aspecto, la diversidad, se puede aplicar directamente al sector energético; el fomento de la diversidad de las fuentes renovables de energía dependiendo de las capacidades de las poblaciones en cada entorno es una estrategia fundamental para cumplir el OSD 7.

También indican las barreras que han estado presentes para evitar que los conceptos evolutivos impactan mayormente en la definición de estrategias para conseguir los ODS. En particular, señalan: que la falsa percepción que la teoría de la evolución tiene un horizonte de tiempo muy grande, de varias generaciones; pero muchos organismos tienen períodos de vida mucho menores que la escala de vida humana, por ejemplo las bacterias y los virus. Otra de las barreras mencionadas son los conflictos entre beneficios individuales y colectivos. Por ejemplo, la prevención del desarrollo de resistencia a los antibióticos requiere una reducción en el uso de antibióticos, aunque segmentos poblacionales pueden beneficiarse con un uso más liberal. Estas barreras pueden ser evidenciadas y con ello sobrepasadas en futuros análisis.

Al final hacen un llamado a una mayor colaboración entre la ciencia de la sustentabilidad y la biología evolutiva y, de mi parte añadiría, con todas las disciplinas de las ciencias básicas para poder lograr los ODS.

Desde mi perspectiva, podemos analizar desde un punto de vista termodinámico las estrategias para asegurar cumplir los ODS y ya entrados en el tema, podemos empezar con una simple pregunta: ¿qué dirá al segunda ley de la termodinámica sobre las posibilidades de la sustentabilidad?  Me parece que puedo anticipar que debemos analizar desde la formulación local de esta ley, en contraposición con una visión de la termodinámica clásica que es limitante.

Les invito a leer este artículo, que nos abre una serie de perspectivas encaminadas a decidir con base en el conocimiento.

Este artículo fue publicado el día 19 de junio en el periódico La Unión de Morelos

Dialogar para deconstruir y construir

¿Qué esperamos para nuestro futuro cercano y que impacte positivamente en nuestro futuro a largo plazo? Este tipo de pregunta es de las que más ha estado rondado por nuestras cabezas en estos tiempos de elecciones. Esta situación no solo está sucediendo en México, sino en muchos lugares del mundo, ya que estamos en plenas elecciones en una buena porción del planeta. Por ejemplo en El Salvador la mayoría ha decidido reelegir al Nayib Bukele como presidente, en México el triunfo de Claudia Sheinbaum como la primera presidenta. En Morelos, el estado donde vivo, Margarita González Saravia será la primera gobernadora. Esta semana, en las elecciones para el parlamento europeo, los grupos de derecha obtuvieron el respaldo de la población.

Aunque no parezca, estos resultados tienen que ver con la desilusión que la mayoría de la población está percibiendo de la situación actual (estatus quo) y parece que se apunta hacia las transformaciones y ruptura con las instituciones actuales o al menos de como las conocemos.

Observamos que no son elecciones tradicionales, al menos como las que viví en el siglo pasado, en el sentido de izquierdas o derechas. Los colores de la opción ciudadana no son unívocos, sino que parece ser que se intenta explorar por otras vías diferentes a las institucionales. Estos hechos nos invitan a la reflexión. En el contexto mexicano, en los últimos siglos, no se ha podido disminuir la situación de pobreza de una porción cercana al 50 % de la población. En el mundo cerca del 40 % de la población vive con menos cinco dólares al día, que claramente no alcanza para salir de la pobreza. La situación actual, en regiones donde la población puede elegir a quien gobierne, la selección de propuestas de ruptura se aprecia como la que más promete. Parece ser que esta situación indica que estamos pensando en el futuro cercano y no en el largo plazo que se vislumbra incierto.

También en estos días, nos hemos percatado de los cambios globales que hemos producido en el clima del planeta y lo que se veía improbable, ahora es lo cotidiano. Las olas de calor y sequías están afectando nuestras poblaciones y los eventos meteorológicos extremos están presentándose con mayor frecuencia e intensidad. Para mí, las acciones que debemos adoptar para mitigar, adaptarnos y combatir este cambio climático son de carrera larga, es decir, nuestras acciones no tienen impacto inmediato y hasta parecieran que no sirven, que no disminuyen las desigualdades. Por esta razón, es necesario alertar a la población en general de estos hechos, con datos e información para buscar las estrategias a largo plazo que consideren el día a día.

Imagen generada con inteligencia artificial mediante la frase: "Image of a scene alive with vibrant colors and infectious joy as the sun casts its golden glow over a picturesque Latin American city. The cobblestone streets hum with energy as happy people stroll leisurely, their laughter mingling with the melodic rhythms of street musicians." en leonardo.ai.

Dentro de las acciones de ruptura están las propuestas de cambio de la estructura de nuestras ciudades y pensar en ciudades o vecindarios pequeños, donde la población pueda realizar la mayoría de sus actividades económicas, sociales, culturales, educativas y de esparcimiento en distancias caminables o de movilidad no motorizada. Esto implica la ruptura con el actual modo basado en el transporte individual con vehículos de combustión interna. En este sentido, el cambio hacia un transporte público eléctrico no solo implica el cambio de combustible, sino la transformación de la infraestructura urbana para acoplar eficientemente el transporte público con la movilidad no motorizada. 

A pesar de muchas personas u organizaciones la población parece caminar hacia la sustitución de los combustibles fósiles, parece evidente que en unos 20 años estaremos presenciando la electrificación de nuestras actividades productivas y cotidianas y esta transformación implica el uso de energías renovables o al menos limpias.

No me queda duda que en México, las acciones de Claudia Sheinbaum van en la dirección de instrumentar acciones hacia las fuentes renovables de energía, pero también se requiere de mensajes claros en esta dirección. En Morelos, he sido testigo de la construcción de estrategias sustentables para Cuernavaca; pero se requiere nuevamente de la actualización y adecuación a la situación actual y de todo Morelos. He visto las estrategias planeadas hace unos 15 años por Margarita González Saravia y considero pueden ser las bases para la construcción de un Morelos que responda a sus entornos sociales y ambientales, en plural por la diversidad de hoy.

Entendamos la ciudadanía mexicana habló y eligió, sean las razones que sean, me parece que debemos caminar colaborando.

Como lo decía al principio, son tiempos de cambios, la población en todos lados está cuestionando la forma en la que se trazaron las instituciones, ya que no han funcionado, tenemos porciones grandes de la población en pobreza. Como parte de una generación que luchó por configurar estas instituciones que pretendía responder a la población en general, me doy cuenta de que necesitamos replantear lo hecho. Para ello considero, ahora que hemos construido más conocimiento, social, ambiental y técnico, tenemos la oportunidad de construir estrategias basadas en este conocimiento y vislumbrar un futuro más lejano.

Desde mi punto de vista, la disposición para dialogar con la diversidad implica la apertura para, con argumentos, flexibilizar y en su caso modificar las posiciones. Lo he mencionado muchas veces, el diálogo con miras en el futuro lejano ayuda a encontrar las coincidencias y construir estrategias de consenso.

Redoblemos esfuerzos por dialogar y deconstruir para construir con base en el conocimiento.

Una versión previa de este artículo fue publicada el día 12 de junio en el periódico la Unión de Morelos.

Diversidad de baterías para la electrificación

La electrificación de las actividades productivas y cotidianas es una estrategia crucial para mitigar los impactos del cambio climático, ya que puede reducir significativamente las emisiones de gases de efecto invernadero al reemplazar el uso de combustibles fósiles con fuentes renovables de energía. Desde mi perspectiva, el evitar la quema de los combustibles fósiles en actividades cotidianas como la preparación de nuestros alimentos en los hogares conlleva a una mejora en la salud de las personas y así la sustitución de los combustibles por electricidad inmediatamente impacta positivamente en la salud de las personas. Sin embargo, la electrificación de nuestras actividades tiene algunos retos. La infraestructura eléctrica existente en México y en América Latina debe ser ampliada y modernizada para manejar la mayor demanda de electricidad que implica la electrificación. Esto incluye la actualización de redes de transmisión y distribución, así como la incorporación de tecnologías inteligentes para mejorar la eficiencia y la resiliencia. Esta es una tarea que deben atender los gobiernos y más si se desea actuar para mitigar y adaptarnos al cambio climático.

Adicionalmente a la necesidad de proveer a estas redes con sistemas automáticos y de respuesta inteligente es necesario contar con almacenamiento de energía. Reconozcamos que las fuentes renovables de energía, como la solar y la eólica, son variables; por ende es crucial desarrollar y desplegar tecnologías de almacenamiento de energía, como baterías avanzadas, para garantizar un suministro constante. Aunque existen otros retos, en este texto pondré especial atención a las diferentes opciones de almacenamiento de energía en baterías.

Imagen generada con inteligencia artificial mediante la frase "abstract image of artificial intelligence designing a new chemical battery for sustainable energy" en leonardo.ai

Las baterías que reinaron en el siglo pasado fueron las conocidas como de plomo ácido, esas baterías que traían la mayoría de los autos en el siglo XX, fueron las primeras baterías recargables e inventadas en 1859 han sido ampliamente utilizadas como baterías para usos móviles, principalmente en el transporte. La capacidad de almacenamiento de energía es de 33 a 42 Wh/kg

Las baterías que en la actualidad se usan en la mayoría de los vehículos eléctricos son las de iones de litio. Estas baterías tienen una mayor densidad de energía, es decir, almacenan más kWh en cada gramo de masa. Sin embargo, tienen algunos inconvenientes: requieren de litio un material no muy abundante en la corteza terrestre y que es extraído en minas mediante procesos no amigables con el entorno físico y humano de la mina. Aunque se han desarrollado tecnologías para reciclar las baterías todavía es necesario mejorarlas y extender su uso.

La comunidad científica, consciente de la necesidad de la electrificación, está investigando opciones científicas y tecnológicas más adecuadas. Por ejemplo, se han desarrollado baterías que usan iones de sodio en lugar del litio. El sodio es un material muy abundante en la tierra y se puede obtener directamente de la sal de mar, lo que disminuiría grandemente los efectos de la extracción en comparación con el litio. Por esta razón, las baterías de sodio son más baratas. Sin embargo, las baterías de sodio, por el momento, tienen menor densidad energética, las de litio pueden almacenar entre 180 Wh/kg y 250 Wh/kg y las de sodio entre 140 Wh/kg y 160 Wh/kg. Como sabemos la masa atómica de los iones de sodio es mayor a la masa del ion de litio, por esta razón el número de ciclos de vida es menor en la de sodio, ya que causa una mayor tensión en durante su movimiento entre el cátodo y el ánodo de la batería. Mientras que las baterías de litio son ampliamente utilizadas en los vehículos eléctricos, las baterías de sodio son adecuadas para aplicaciones de almacenamiento de energía que disminuyan la variabilidad de las fuentes renovables en instalaciones fijas.

En los años alrededor de 1960, se desarrollaron unas baterías recargables de acero aire (iron-air). Estas baterías usan el acero como ánodo y el oxígeno de la atmósfera como cátodo entre un electrolito salino. Nos queda claro que el acero es un material abundante y el oxígeno también y además que no son tóxicos. Este tipo de baterías son aun más baratas que las de sodio o litio y su capacidad de almacenamiento se disipa con menor velocidad, por ende sirven para almacenar energía por muy largos períodos. Estas propiedades las hacen promisorias para almacenamiento de gran escala y estabilización de la red eléctrica. Los procesos de carga y descarga de estas baterías son más lentos que las de sodio o litio y las baterías son mucho más pesadas y grandes, dificultando su uso en pequeños dispositivos. Ya hay usos comerciales, pero todavía no se extiende su uso.

Por supuesto que hay muchas otras formas de almacenar energía: los supercapacitores, las celdas de combustibles, las baterías de flujo y muchas otras más. Todas estas tecnologías apuntan hacia hacer posible la electrificación de nuestras actividades productivas y cotidianas para sustituir el uso de combustibles fósiles; además del uso directo de la energía solar térmica para ese tipo de aplicaciones redundará en que transitemos hacia un uso de energía limpia y sustentable.

En estos momentos, es crucial informar a la población sobre los beneficios de la electrificación y el uso de las energías renovables para asegurar su participación activa en esta transición. Adicionalmente, debemos analizar las opciones en recursos y capacidades entre las diferentes regiones para asegurar una transición equitativa hacia la electrificación.

Superar los retos que nos plantea la electrificación, después de llevar milenios usando los combustibles como leña, carbón y petróleo, implica un esfuerzo coordinado entre gobiernos, industrias y la sociedad en general. Las políticas innovadoras, las inversiones estratégicas y la cooperación internacional son fundamentales para avanzar hacia una electrificación sustentable y efectiva y para ello requerimos de almacenamiento de energía. La diversidad de baterías son alternativas factibles y seguramente serán mejores en el futuro cercano.

Este artículo fue publicado el día 5 de junio en el periódico La Unión de Morelos.