La transformación ecológica de aviones, trenes y automóviles

Mientras el mundo se apresura a descarbonizar todo, desde la red eléctrica hasta la industria, enfrenta problemas particulares con el transporte —que por sí solo es responsable de aproximadamente una cuarta parte de las emisiones de gases de efecto invernadero relacionadas con la energía de nuestro planeta—. Los combustibles para el transporte no solo deben ser ecológicos, baratos y potentes, sino también ligeros y lo suficientemente seguros para poder ser trasladados.

Los combustibles fósiles —principalmente gasolina y diésel— han sido extraordinariamente efectivos para impulsar una amplia gama de máquinas móviles. Desde la Revolución Industrial, la humanidad ha perfeccionado el arte de extraerlos, refinarlos, distribuirlos y quemarlos en motores, creando una industria vasta y difícil de modificar. Ahora tenemos que alejarnos de los combustibles fósiles y el mundo no encuentra un sustituto único que sirva para todo.

Cada tipo de transporte tiene sus propias peculiaridades —por eso existen diferentes formulaciones de hidrocarburos, desde gasolina hasta diésel, desde fueloil pesado o búnker para barcos hasta combustible para aviones—. Los autos necesitan una fuente de energía conveniente y liviana; los barcos portacontenedores necesitan suficiente empuje para durar meses; los aviones deben ser absolutamente fiables y funcionar a temperaturas bajo cero. A medida que van eliminándose los combustibles fósiles, el panorama de los combustibles usados para el transporte se “vuelve más diverso”, dice Timothy Lipman, codirector del Centro de Investigación de Sostenibilidad del Transporte de la Universidad de California, Berkeley.

Cada solución energética tiene sus pros y sus contras. Las baterías son eficientes, pero lidian con su peso. El hidrógeno —el elemento más ligero del universo— aporta una enorme cantidad de energía, pero es caro producirlo de forma “verde” y, al ser un gas, ocupa mucho espacio. Los combustibles líquidos que llevan hidrógeno pueden ser más fáciles de transportar o colocar en un motor, pero el amoníaco es tóxico, los biocombustibles son escasos y los hidrocarburos sintéticos son difíciles de producir.

La escala de esta transición energética es enorme, y la cantidad de energía renovable que necesitará el mundo para producir la electricidad y los combustibles alternativos requeridos es “un poco impactante”, dice el ingeniero mecánico Keith Wipke, director del programa de tecnologías de celdas de combustible e hidrógeno del Laboratorio Nacional de Energías Renovables en Colorado. Todo, desde la red eléctrica hasta los edificios y la industria, también tiene sed de energía renovable: se estima que, en general, la demanda mundial de electricidad podría más que duplicarse para 2050. Afortunadamente, los análisis sugieren que este tipo de energías están a la altura de la tarea. “Necesitamos poner el pie en el acelerador de las energías renovables al 100 %, lo más rápido que podamos, y todo se usará”, dice Wipke.

Para mantenerse por debajo de los 1,5° Celsius de calentamiento planetario y limitar algunos de los peores efectos del cambio climático, el Panel Intergubernamental sobre Cambio Climático recomienda que el mundo alcance cero emisiones netas para 2050 —lo que significa que todos los gases de efecto invernadero que todavía emitimos al aire debemos sacarlos de otras formas, como a través de los bosques o la captura de carbono—. Grupos como la Agencia Internacional de Energía (AIE) —una organización intergubernamental con sede en París que analiza el sector energético global— han trazado caminos que pueden llevar al mundo a cero emisiones netas.

El camino de la AIE describe un cambio masivo y difícil de implementar en todo el mundo, incluidos todos los tipos de transporte. Su objetivo: reemplazar los combustibles fósiles (que liberan al aire el carbono capturado hace mucho tiempo, y causan estragos en el clima) por algo más sostenible, como el hidrógeno verde o los biocombustibles (que no producen gases de efecto invernadero en absoluto o reciclan los que ya están en el aire).

Aunque algunos sectores del transporte todavía están en proceso de cambio, ahora podemos tener una idea bastante buena de lo que probablemente impulsará los barcos, aviones, trenes y automóviles del mañana. He aquí un vistazo a ese futuro.

Automóviles

Los vehículos de pasajeros por carretera (incluidos taxis, autobuses y motocicletas) en conjunto representan la mayor parte de las emisiones globales del transporte —alrededor del 45 % de ellas—.

Actualmente, el claro ganador para el tráfico ligero son las baterías eléctricas. (Por supuesto, para reducir las emisiones se necesita una red verde y renovable que provea electricidad; esa transición se está produciendo independientemente del transporte). Más de una docena de países han declarado que todos los automóviles nuevos deben ser eléctricos para 2035 o antes, y estamos encaminados a llegar allí: en 2023 se vendieron alrededor de 14 millones de autos eléctricos, lo que representa cerca del 18 % de las ventas de autos nuevos. Sin embargo, no era un camino claro. “Aprendes más de tus fracasos que de tus éxitos”, dice Wipke: “Ha habido muchos aprendizajes a lo largo del camino”.

Sorprendentemente, los vehículos eléctricos se remontan al siglo XIX, cuando eran populares porque eran más sencillos, más silenciosos y menos malolientes al conducir que las versiones de gasolina. Fue la invención del Modelo T de Henry Ford a principios del siglo XX lo que convirtió a los autos de gasolina en los ganadores; esos automóviles costaban menos de la mitad que los roadsters eléctricos de la época y tenían mayor alcance. Fueron un éxito: hoy hay más de 1.000 millones de vehículos que usan gasolina en las carreteras.

A principios de la década de 2000 parecía que las celdas de combustible de hidrógeno serían la solución para descarbonizar los automóviles. Estas celdas químicas están llenas de gas hidrógeno y luego funcionan como una batería —combinando hidrógeno con oxígeno del aire para producir energía y agua—. Cambiar a celdas de combustible habría dado a los conductores un régimen similar al que estaban acostumbrados: la capacidad de recorrer cientos de kilómetros entre sesiones de recarga de minutos de duración. “La idea era no hacer que la gente se sacrifique ni cambie sus comportamientos. Démosles algo parecido a la gasolina, pero con un combustible diferente”, dice Wipke.

Pero hubo problemas, principalmente en los desafíos logísticos de construir una red de estaciones de servicio de hidrógeno, y en la economía de producir todo el hidrógeno necesario de forma ecológica. “El gran problema no son los vehículos —los vehículos son fantásticos—. Es la infraestructura”, señala Lipman.

Frente a esos problemas, los autos de batería superaron a las celdas de combustible para dominar el mercado, a pesar de que las primeras versiones de los autos eléctricos lucharon por alcanzar una autonomía de 150 kilómetros y tardaron horas, a veces decenas de horas, en recargarse por completo. La posibilidad de conectarlos a la infraestructura eléctrica existente fue una gran ventaja. Y la eficiencia general de una batería es alta —no se pierde energía en los múltiples pasos de crear primero un combustible y luego cargar el auto—. Además, la investigación y el desarrollo prometieron baterías cada vez mejores y más baratas.

El desafío es lograr una alta densidad de energía (una batería más liviana significa un auto más liviano, que usa menos energía por kilómetro y, por lo tanto, puede recorrer más distancia con una sola carga), manteniendo al mismo tiempo una batería barata, segura, rápida de cargar, capaz de generar ráfagas de aceleración y operativa en amplios rangos de temperatura. La mayoría de los autos eléctricos actuales funcionan con baterías de iones de litio, que han avanzado mucho y siguen mejorando. Desde que se comercializaron por primera vez en 1991, su densidad energética promedio por peso se ha más que duplicado y los precios han bajado en un orden de magnitud. Pero hay un límite en cuán buenas pueden llegar a ser, y el metal de litio es propenso a sufrir aumentos de precios ante la demanda astronómica de baterías. Por eso, los investigadores y las empresas están buscando dos cambios dramáticos en la tecnología de las baterías.

Desde 2023, algunas empresas chinas iniciaron la producción comercial de baterías de iones de sodio. El sodio es abundante —es el sexto elemento más común en la Tierra—, por lo que es mucho más barato que el litio, y lo convierte en una excelente opción para los vehículos eléctricos económicos. La desventaja es que el sodio es más pesado que el litio —cada átomo pesa 3,3 veces más—, lo que limita la energía que se puede almacenar en una batería de cualquier peso. En otras palabras, estas baterías son pesadas. Se espera que los automóviles chinos con baterías de sodio cuesten alrededor de 10.000 dólares, pero recorran solo unos 240 kilómetros. Compárese eso con, digamos, un Tesla 3 (con una moderna batería de iones de litio), que se vende por más de cuatro veces más, pero tiene más del doble de autonomía.

Los fabricantes de autos también están empezando a prometer baterías de estado sólido para los próximos cinco años. Estas baterías reciben su nombre del hecho de que sustituyen el líquido que normalmente está en las baterías de iones de litio por una fina capa de cerámica o polímero sólido. Este pequeño cambio ofrece beneficios de seguridad y abre la puerta a mejores opciones para los extremos de los electrodos de la batería. Como resultado, las baterías de estado sólido prometen densidades de energía mucho mayores, aunque aún no han llegado al mercado automotor. Para 2027-2028, Toyota prevé presentar un auto con una batería de estado sólido que recorre más de 950 kilómetros con una sola carga.

En general, los expertos prevén que las carreteras estarán llenas de autos eléctricos para 2050, pero esos vehículos tendrán una variedad de tipos de baterías para adaptarse a usuarios con diferentes prioridades: precio o rendimiento. Vamos a necesitar muchas baterías. En el camino de la AIE hacia cero emisiones netas para 2050, el 60 % de las ventas de autos cero kilómetros serán eléctricos para 2030, lo que requerirá la puesta en marcha de casi 20 nuevas fábricas de baterías a gran escala cada año. Esa es una misión épica, pero factible.

Camiones

Los vehículos de transporte de mercancías por carretera —incluidos los enormes semirremolques— constituyen la siguiente porción más grande del total de emisiones del transporte, representando casi el 30 %. Para estos vehículos de carretera pesados, en especial los de larga distancia, una solución preferida ahora se remonta al plan original para descarbonizar los autos: las celdas de combustible.

Consideremos un camión de 18 ejes que tira más de 36 toneladas y necesita recorrer entre 800 y 1.000 kilómetros. “Almacenar esa cantidad de energía en baterías podría requerir hasta 4,5 toneladas de batería en el camión”, dice Wipke, “mientras que tal vez sean entre 450 y 900 kilos de almacenamiento de hidrógeno, incluyendo la celda de combustible”. Y un tanque de hidrógeno puede rellenarse en cuestión de minutos. Esto se traduce en una logística más sencilla para las empresas de camiones, y menos peso significa menos energía necesaria.

Al igual que las baterías, las celdas de combustible han mejorado desde su invención. “Técnicamente, el hidrógeno ha avanzado mucho en los últimos 20 años”, dice Wipke. Por ejemplo, la presión a la que se puede almacenar el hidrógeno en un auto se ha duplicado, por lo que se puede almacenar más combustible en un espacio determinado. Y los diseñadores han superado el problema del agua que se congelaba dentro de la celda de combustible y la rompía.

Aunque el ardiente infierno del desastre del dirigible Hindenburg en 1937 dio una mala reputación al hidrógeno como combustible que aún perdura, los expertos señalan que todos los combustibles son inflamables. Los investigadores suelen decir que un auto de hidrógeno bien construido no suele ser más riesgoso que uno de gasolina —el hidrógeno, por ejemplo, es tan ligero que tiende a alejarse flotando rápidamente si se produce un accidente o una fuga—. También existen tecnologías a prueba de fallos en las estaciones de servicio de hidrógeno para evitar que alguien simplemente lo rocíe, señala Wipke —que no existen para la gasolina—. Pero es difícil hacer que las estaciones de servicio de hidrógeno sean confiables. “Tienes compresores, tienes válvulas de flujo. Como resultado, hay más cosas que podrían dañarse”, afirma Wipke.

Esos problemas deberían subsanarse a medida que aumenta el uso de celdas de combustible. En mayo, el Centro para el Transporte y el Ambiente, una organización sin fines de lucro con sede en Atlanta, inauguró la estación de servicio de hidrógeno más grande del mundo. Ubicada cerca de Berkeley, California, está diseñada para cargar 30 camiones que transportarán contenedores y autos desde el puerto de Oakland hasta su siguiente parada. Lipman está involucrado, con su equipo, haciendo los cálculos sobre la confiabilidad y el uso de la estación, además de supervisar a los camiones en sí mismos. Si todo va bien, afirma, se ampliará. “Esperamos tener miles de camiones en 10 años”.

California no está sola en su búsqueda del hidrógeno. Hasta 2023, el Departamento de Energía de EE.UU. ha invertido 8.000 millones de dólares en un Programa Regional de Centros de Hidrógeno Limpio, estableciendo hasta 10 centros que pueden producir y distribuir combustible de hidrógeno. A nivel mundial, el uso de hidrógeno en el transporte por carretera aumentó alrededor de 45 % en 2022 con respecto a 2021 (aunque todavía son solo decenas de miles de camiones y autobuses en total en el mundo).

Sin embargo, un gran desafío es producir todo el hidrógeno necesario de forma ecológica. Aunque el hidrógeno abunda (es el elemento más abundante en el universo) y hay algunos depósitos geológicos naturales de los cuales extraer, crear un suministro puro y concentrado requiere energía. La forma más barata de obtener hidrógeno es reformar los combustibles fósiles con vapor, pero esto genera dióxido de carbono. La forma más limpia es utilizar electricidad renovable para descomponer el agua en hidrógeno y oxígeno, pero producir ese “hidrógeno verde” es mucho más caro.

En 2022, la demanda de hidrógeno alcanzó casi 100 millones de toneladas métricas, pero menos del 1 % se produjo con bajas emisiones. Según el camino hacia las cero emisiones netas de la AIE, el mundo necesitará el doble de esa cantidad de hidrógeno como combustibles para 2030, incluidas 11 millones de toneladas métricas de energía pura de hidrógeno para el transporte. La AIE ha identificado mucho apoyo político al hidrógeno verde y un fuerte aumento en el ritmo al que se anuncian proyectos de producción de hidrógeno de bajas emisiones, lo cual es una buena noticia. Pero la implementación en el mundo real actual, señala la agencia, “no está despegando” y se necesita mucho más apoyo político para que se intensifique.

Trenes

De acuerdo con la AIE, el ferroviario ya es el subsector del transporte más electrificado, y representa un escaso 1 % de las emisiones del transporte. Así que este es el menor problema y el más resuelto del grupo.

Los trenes, al igual que los camiones, son bestias pesadas que necesitan mucha potencia. Pero muchos trenes ya circulan por cables o rieles eléctricos. Otros utilizan un combustible, normalmente diésel, pero lo convierten en electricidad a bordo para alimentar un motor eléctrico (que tiene mejor par de torsión que un motor alimentado con combustibles fósiles). Cambiar ese diésel por otra cosa, como hidrógeno o baterías, es un paso relativamente sencillo para suministrar energía a un motor eléctrico ya existente. “Los trenes son bastante fáciles de electrificar”, dice el ingeniero químico Hartej Singh, que analiza la descarbonización para la organización sin fines de lucro Rocky Mountain Institute, en Washington, D.C.

Según la AIE, expandir el ferrocarril eléctrico es una buena idea —en especial si reemplaza a los vuelos—. En la actualidad, cada kilómetro que recorre un pasajero en tren genera, en promedio, una quinta parte de las emisiones que la misma distancia recorrida en avión. Pero, agrega la AIE, instalar una nueva línea ferroviaria eléctrica es una propuesta costosa.

Barcos

El transporte marítimo —que representa alrededor del 10 % de las emisiones del sector— tiene una necesidad particular de recorrer distancias y navegar durante tiempos extraordinarios antes de recargar combustible: cruzar un océano requiere viajes de miles de kilómetros que duran semanas.

Actualmente, el transporte marítimo usa predominantemente fueloil pesado —una variante del combustible fósil con alto contenido de azufre que a menudo se describe como la suciedad que queda en el fondo de un barril de petróleo—. Pero eso está cambiando rápidamente, gracias a los objetivos de la Organización Marítima Internacional, adoptados en 2023, de alcanzar cero emisiones netas para 2050. “Eso implica básicamente que toda la flota mundial deba hacer la transición para dejar los combustibles fósiles”, dice Tristan Smith, ingeniero de la University College London que estudia transporte marítimo. Por ahora, solo el 1,2 % de los barcos de la flota mundial usa combustibles de bajas emisiones, pero el 21 % de los barcos en proceso de fabricación están diseñados para funcionar con estas alternativas. Smith ve un camino claro por delante para llegar a donde debe hacerlo el transporte marítimo.

Por ahora, una alternativa popular de bajas emisiones es el biometanol (elaborado a partir de plantas). Pero esto es una distracción a corto plazo, dice Smith: simplemente no hay suficiente tierra para cultivar suficientes reservas de biocombustibles para la flota mundial. A largo plazo, apuesta por el amoníaco —NH₃— como la mejor solución.

Se trata de un combustible líquido rico en hidrógeno que proporciona mucho empuje. Además, ya sabemos cómo hacerlo y transportarlo; a nivel global se producen cada año unas 150 millones de toneladas métricas, principalmente para fertilizantes. Contraintuitivamente, el amoníaco resulta ser más barato que el hidrógeno puro, señala Smith (a pesar de que tiene hidrógeno como ingrediente), porque el hidrógeno puro conlleva la carga adicional de energía y costo de ponerlo bajo presión y mantenerlo frío para almacenarlo. El amoníaco, por el contrario, es relativamente fácil de mantener líquido. Y aunque requiere más espacio de almacenamiento que los combustibles fósiles, esto importa menos en el caso de los barcos que, digamos, en el de los automóviles.

Sin embargo, tienes que rediseñar tu motor para que funcione con amoníaco. Este compuesto es difícil de encender y el motor necesita catalizadores para eliminar otros contaminantes, como el óxido nitroso, un gas de efecto invernadero. Todo esto se está tratando de solucionar: el Green Pioneer, de la empresa australiana de minería y energía verde Fortescue, es el primer barco que prueba un motor que quema amoníaco (con algo de diésel en la mezcla), junto con estrategias de reabastecimiento de combustible y protocolos de seguridad. El principal problema del amoníaco, dice Smith, es que es tóxico, por lo que los derrames son tremendos. En definitiva, Smith ve un camino claro para el amoníaco. “Podemos ver una situación en la que habrá una explosión de pedidos [de barcos con motor de amoníaco] a partir de mediados del próximo año”, dice.

El amoníaco ejercerá aún más presión sobre la demanda de hidrógeno verde. Para 2030, la AIE exige ocho millones de toneladas métricas adicionales de hidrógeno para combustibles de transporte a base de amoníaco, además de las 11 millones de toneladas métricas de hidrógeno puro para usos en el transporte. Ya se están invirtiendo miles de millones de dólares en amoníaco verde, dice Smith. “Necesitamos muchos miles de millones”.

Hay formas adicionales de reducir las emisiones de los barcos —para empezar, enviar menos carga, mejorar la logística para transportar menos barcos en distancias más cortas, diseñar cascos más aerodinámicos e incluso instalar velas modernas. Esto incluye extraños cilindros giratorios llamados rotores Flettner que pueden ayudar a propulsar un barco de manera similar a como una pelota de béisbol gira hacia los lados en el aire. Todas esas formas podrían bajar el aporte de carbono del transporte marítimo.

Aviones

Quizás el sector más difícil de descarbonizar sea el de la aviación, que representa alrededor del 12 % del total de emisiones del transporte. Un avión debe luchar contra la gravedad, por lo que no puede transportar un combustible demasiado pesado. El combustible no puede ocupar demasiado espacio, debe funcionar a las temperaturas de congelación propias de la altitud y, sobre todo, debe ser fiable. “Una cosa es que un camión o un auto pierda su propulsión y se desvíe hacia el costado de la carretera. Es muy diferente si estás en el aire y pierdes potencia”, dice Wipke.

En 2022, la Organización de Aviación Civil Internacional de las Naciones Unidas se comprometió a que la industria se convirtiera en carbono neutral para 2050, por lo que ya se inició la carrera para cambiar el combustible actual, el queroseno, por algo más limpio: combustibles de aviación sostenibles. La mayoría de estos combustibles todavía expulsan dióxido de carbono por el tubo de escape, pero debido a que muchos están hechos de algo, como plantas, que originalmente eliminaban el dióxido de carbono del aire, el efecto neto puede ser reducir las emisiones al menos a la mitad, si no casi enteramente. En 2022 se usaban entre 300 y 450 millones de litros de “combustibles sostenibles” en la aviación —pero eso es menos del 0,15 % del mercado total—.

Por ahora, la opción más rentable para el combustible sostenible es el biocombustible elaborado a partir de grasas y aceites (como el aceite de cocina usado) que se han convertido químicamente en queroseno. Se trata de una tecnología madura y que ya se comercializa, dice Singh de RMI, que se centra en combustibles de aviación. Pero a largo plazo no hay suficiente materia prima. “Probablemente solo podríamos cubrir alrededor del 6 % de la demanda para 2050”, dice Singh.

La siguiente opción es el biocombustible elaborado a partir de residuos forestales, como ramas y troncos caídos o incluso cáscaras de nueces. Esta materia prima podría proporcionar tanto combustible como los aceites usados, pero la conversión química es más complicada; la única empresa que Singh conocía que intentaba hacer este trabajo comercialmente cerró su fábrica más grande hace poco tiempo.

Una opción a largo plazo para el combustible sostenible para aviones es producir hidrocarburos a partir del aire reciclado. Estos combustibles sintéticos (a veces llamados combustibles de conversión de energía a líquido, o e-combustibles) toman dióxido de carbono del aire y combinan ese carbono con hidrógeno de bajas emisiones (sí, aún más hidrógeno de bajas emisiones). Las plantas de captura directa de aire, como se les llama, son instalaciones industriales que utilizan líquidos o sólidos como una esponja para absorber CO₂ del aire. Estas plantas recién ahora están empezando a operar comercialmente a gran escala: la primera planta a escala de megatones del planeta —que absorbe alrededor de medio millón de toneladas métricas de CO₂ del aire cada año— debería abrirse en Texas en 2025.

Usar hidrógeno puro también es una posible opción a largo plazo, ya sea quemándolo en un motor (la forma como la NASA lanza cohetes) o usándolo para hacer funcionar una celda de combustible. Pero eso requiere tanques especiales para almacenar hidrógeno a presiones lo suficientemente altas y temperaturas lo suficientemente bajas como para caber en un avión. “Es necesario reconfigurar toda la forma en que pensamos el diseño de aviones”, dice Singh. Algunas empresas se están tomando muy en serio la posibilidad de volar con hidrógeno, incluida H2FLY, una filial de Joby Aviation, que realizó un vuelo de prueba de un pequeño avión a hidrógeno en septiembre de 2023. Airbus y un socio ahora están trabajando en la construcción de una instalación de reabastecimiento de hidrógeno líquido en un aeropuerto, en Toulouse, Francia.

“Creo que subestimamos esta habilidad de los ingenieros”, dice Smith, quien considera que las dificultades con los motores de barcos propulsados por amoníaco y los aviones propulsados por celdas de combustible de hidrógeno son obstáculos superables. “Solo pones a algunos buenos ingenieros en un proyecto y ellos trabajan sistemáticamente en todo”.

Las baterías también son una posibilidad, en especial para vuelos más cortos y pequeños, como los realizados por naves eléctricas de despegue y aterrizaje vertical (eVTOL), que son esencialmente taxis voladores. Ahora se están realizando muchas investigaciones a largo plazo sobre baterías que son difíciles de hacer funcionar, pero que tendrían un potencial espectacular. Las baterías de litio-aire, por ejemplo, extraerían oxígeno del aire mientras viajan como ingrediente vital de los electrodos, lo que las haría increíblemente livianas y adecuadas para la aviación.

“Necesitamos pensar en esto como un rompecabezas”, dice Singh, con diferentes piezas que completan distintas partes del problema. Las baterías podrían alimentar vuelos cortos, mientras que las celdas de combustible abordan el tráfico regional y se ahorran combustibles sostenibles para los vuelos de larga distancia que son demasiado difíciles de electrificar.

De hecho, todo el sector del transporte es un rompecabezas, y se necesitan muchas piezas para completar un panorama que aún no está del todo claro. “No puedo ver el futuro mejor que otros; si así fuera, probablemente ya estaría jubilado”, dice Wipke. “Pero realmente disfruto viendo cómo evolucionan las cosas. El ritmo de desarrollo es tremendo”.

Artículo traducido por Daniela Hirschfeld