Dado que la población mundial sigue aumentando, aunque a un ritmo decreciente, podemos esperar mil millones adicionales o más de personas en los próximos 10 años y otros mil millones para el 2040. Cálculos matemáticos simples sugerirían que el número de pobres globales fuera de la red casi se duplicará en una década. Y el mundo también se está urbanizando con bastante rapidez, por lo que se puede esperar que una proporción considerable de los pobres marginales se trasladen a áreas densamente pobladas cerca de las ciudades sin conexión a la red.

Sin embargo, las soluciones de energía sin conexión a la red pueden promover la migración hacia comunidades rurales en desarrollo, dándoles así características semiurbanas. Sin embargo, el crecimiento de un sector semiurbano no debería ser motivo de preocupación: de hecho, puede actuar como un amortiguador contra el crecimiento insostenible de las megaciudades con barrios marginales en expansión y apuntar hacia modelos más sostenibles. Además, la disponibilidad de energía eléctrica fuera de la red para iluminación, bombeo, refrigeración, saneamiento, educación, comunicaciones, instalaciones audiovisuales y de entretenimiento decentes mejorará la vida y el desarrollo rurales.

Posición actual

El paradigma de la energía fuera de la red para la electrificación y el desarrollo de la población rural mundial debe estar estrechamente asociado con la evolución de la energía limpia, verde y con bajas emisiones de carbono. Es alentador observar los muchos proyectos rurales en curso y con visión de futuro, como Lighting Africa, el Programa Pico-PV, Husk Power Systems, la Misión Solar Nacional Jawaharlal Nehru e Lighting India, por nombrar solo algunos. Millones de personas pobres en el campo ahora tienen acceso a la electricidad de módulos fotovoltaicos (FV) junto con baterías de almacenamiento que pueden generar 12, 48 o incluso voltajes más altos para hacer funcionar electrodomésticos y electrodomésticos.

Los sistemas fotovoltaicos son opciones favorables para satisfacer la baja demanda de energía, de menos de 5 kilovatios hora por día, con cargas constantes en ubicaciones remotas que reciben regularmente un buen flujo solar. La iluminación solar basada en lámparas de diodos emisores de luz (LED) y linternas solares no solo es limpia, eficiente y confiable, sino que también es rentable en competencia con las lámparas de queroseno. También hay ejemplos de electrificación rural en los que los motores-generadores (grupos electrógenos impulsados por diésel) se utilizan para cargas más pesadas junto con sistemas fotovoltaicos en configuraciones híbridas.

Un modelo excelente de desarrollo de microrredes es Mera Gao Power, una empresa que opera en asociación con USAID (Agencia de Estados Unidos para el desarrollo – equivalente a la AECID española), que puede construir, poseer y operar microrredes en comunidades rurales de la India por costos inferiores a los US $ 1.000 por aldea. En el entorno de cada aldea, proporcionan un panel solar ubicado en el centro combinado con un banco de baterías de plomo-ácido para almacenar y luego entregar energía cuando el flujo solar no está disponible. En un período de dos años, Mera Gao ha podido proporcionar electricidad a 500 aldeas fuera de la red, proporcionando a 65.000 personas instalaciones de iluminación y carga de teléfonos móviles.

Se ha implementado energía hidroeléctrica en mini redes en algunas localidades rurales con acceso a agua corriente. Se han instalado pequeñas turbinas eólicas que dependen de velocidades regulares del viento superiores a 15 kilómetros por hora en algunos lugares para cargar baterías, y las turbinas también pueden prestarse a una infraestructura más grande, como las redes locales a nivel comunitario. Sin embargo, como las fuentes renovables como la energía solar y eólica tienden a ser intermitentes, la disponibilidad de energía puede ser esporádica sin el uso de paquetes de baterías.

Si bien la biomasa, principalmente la madera, ha sido una fuente importante de energía para cocinar en las comunidades rurales durante siglos, la nueva oportunidad de generar calor y energía combinados mediante generadores se ha convertido en una realidad cada vez mayor4. Se han puesto a disposición varios gasificadores en las comunidades rurales, donde funcionan con biomasa disponible localmente, como cáscaras de arroz, astillas de madera, tallos de lentejas o algodón y otros residuos agrícolas, incluidos desechos de animales y de cocina. Estos gasificadores pueden alimentar generadores para proporcionar calor y energía a una comunidad o aldea de entre 1.000 y 2.000 habitantes. En otro ejemplo pionero en Uganda, se informa que los propietarios de molinos de maíz producen y venden energía a los hogares a través de mini redes o carga de baterías.

Nuevas oportunidades

Se espera que la energía solar contribuya con más del 10% de la combinación de energía en los grandes países y regiones en desarrollo para 2022, impulsada por el objetivo de proporcionar electricidad a los cientos de millones de habitantes de las zonas rurales que no la tienen ahora. Existe una gran oportunidad para omitir formas de energía altamente contaminantes y pasar directamente a fuentes más limpias como la energía solar. Saltar de esta manera evitará los grandes costos de las líneas de transmisión y beneficiará al medio ambiente y la salud de las personas. La electrificación fuera de la red es una innovación que debe aprovecharse para el espíritu empresarial y el empleo remunerado. Además, las mismas aldeas que se espera sean objeto de esta transformación electrónica también son la fuente de un dividendo demográfico que surge de una población joven.

Almacen de energia

Las tecnologías de energía renovable no son soluciones independientes en el sentido de que los sistemas solares fotovoltaicos y los sistemas basados en el viento requieren baterías para el almacenamiento junto con inversores para convertir la corriente continua en corriente alterna y cargadores de baterías; los grupos electrógenos requieren un suministro y almacenamiento regulares de diesel o gasolina; y la energía hidroeléctrica, aunque relativamente económica de operar, depende de la disponibilidad de agua en rápido movimiento durante todo el año.

Las tecnologías han evolucionado durante muchas décadas que nos permiten convertir la energía de la luz solar en electricidad a través de la celda fotovoltaica, pero luego debe almacenarse en baterías y estar disponible sin interrupción durante varios días. Los paquetes de baterías basados en baterías de ácido de plomo ya se utilizan en esquemas rurales de electrificación fuera de la red para almacenar energía de fuentes renovables durante el pico de producción, y también tienen demanda en áreas rurales como fuente directa de electricidad para iluminación o carga de teléfonos.

Las baterías de plomo-ácido proporcionan actualmente la tecnología de almacenamiento eléctrico más económica. Por lo general, estos están diseñados para ciclos de descarga profunda que proporcionan una pequeña corriente durante muchas horas entre dos ciclos de carga, consumiendo la mayor parte de la energía almacenada. Las baterías almacenan su energía como energía química en dos electrodos separados. A continuación, se puede hacer que los productos químicos separados reaccionen a través de un electrolito, retroalimentando la energía química como energía eléctrica.

Las baterías se pueden cargar y descargar durante cientos o incluso miles de ciclos, después de lo cual se gastan y no se pueden volver a utilizar. Dado que la descarga de plomo al medio ambiente no es una opción debido a su toxicidad, las baterías deben recuperarse y reciclarse para fabricar otras nuevas. La buena noticia es que el plomo no es difícil de reciclar: de hecho, en las economías desarrolladas y en el espacio urbano de las economías emergentes rápidamente, la infraestructura para recolectar, desmantelar y reciclar baterías es muy exitosa.

Reciclaje

La tecnología madura para el reciclaje de baterías de plomo se basa en una fuerte inversión en grandes hornos de alta temperatura respaldados por el control ambiental del polvo, el agua y los gases descargados. Estas tecnologías relativamente caras y de gran escala están actualmente fuera del ámbito práctico del sector rural. Sin embargo, existe un sector rural próspero, aunque a menudo mal regulado o incluso no autorizado, basado en unidades de pequeña escala e impulsado por el incentivo económico del valor de reventa del plomo. Desafortunadamente, sin embargo, las unidades de pequeña escala no pueden derretir todos los compuestos de plomo en las baterías gastadas, creando una carga potencial masiva para la salud si los compuestos de plomo no recuperados llegan al medio ambiente local.

Donde se prevé un crecimiento en la electrificación rural fuera de la red a través de energías renovables, como en las aldeas inteligentes, se intensificará la demanda de baterías de almacenamiento de respaldo. Recientemente, en la Universidad de Cambridge se ha desarrollado una nueva tecnología para recuperar de forma segura el plomo de las baterías en unidades de pequeña escala (Figura 1), precisamente en previsión del crecimiento en el uso de baterías impulsado por la electrificación rural a través de energías renovables. Esta tecnología de batería también se puede utilizar en scooters eléctricos, cuyo crecimiento se anticipa a medida que avanza el desarrollo rural. Es posible imaginar que, en un futuro próximo, más del 95 por ciento de todo el plomo, más de 20 millones de toneladas por año para 2022, se utilizará en baterías de vehículos y para suministro de energía de emergencia y de respaldo, y la mayor parte de esto se obtendrá recuperando el plomo de las baterías usadas. Un proceso ambientalmente sostenible que puede operarse a pequeña escala, pero también a gran escala, ya tiene demanda y se expandirá aún más. El sector rural puede liderar esta nueva tecnología.

Dado que la economía de escala no es un factor limitante, dicha tecnología brindará una oportunidad para nuclear y modernizar muchas industrias rurales de baterías de plomo de menor escala en economías de rápido crecimiento. Esta nueva industria artesanal ecológica tendrá un gran impacto económico positivo para un gran número de personas que dependen de las baterías de plomo para su sustento y para el desarrollo de sus economías locales.

¿Pueden las pilas de combustible jugar un papel en el futuro? Una pila de combustible puede generar electricidad de forma silenciosa y sin combustión. La corriente de combustible se alimenta a un compartimento separado de un segundo compartimento al que se alimenta aire. Las dos corrientes nunca se mezclan ni se queman, pero aún así la electricidad se produce con eficiencias que pueden ser más de un 100% más altas que las centrales eléctricas basadas en turbinas que utilizan el mismo combustible. En principio, las pilas de combustible son similares a las baterías. El material secreto en ambos casos es el separador – un electrolito – que permite una comunicación silenciosa pero activa entre el combustible y el aire (Figura 2).

Las celdas de combustible que operan a altas temperaturas también pueden generar calor junto con electricidad, lo que las coloca en una ubicación única para soluciones de calor y energía. Una unidad combinada de calor y energía bien diseñada puede aprovechar el calor que de otro modo se desperdiciaría, transfiriéndolo a un fluido de calefacción que se puede utilizar como sistema de almacenamiento de agua caliente.

Un combustible ideal del futuro es el hidrógeno, cuya principal ventaja es que el único residuo de utilizarlo para la generación de electricidad es el agua. Todavía no estamos preparados para una economía local del hidrógeno, y el almacenamiento y transporte de hidrógeno sigue siendo una tecnología en desarrollo. Pero el uso cada vez mayor de la pila de combustible como tecnología fuera de la red dará lugar a un breve plazo de tiempo para adoptar pilas de combustible de hidrógeno en el futuro.

Si el hidrógeno no es una opción por ahora, ¿cuál será la celda de combustible en un entorno rural? Los gasificadores de biomasa que utilizan residuos agrícolas ya se utilizan en el sector rural para generar energía mediante la tecnología de turbinas convencional. Los combustibles producidos a partir de gasificadores de biomasa contienen hidrógeno y monóxido de carbono, que se pueden alimentar directamente a las celdas de combustible y convertir de manera eficiente en electricidad. El Centro de Desarrollo de Tecnología de Materiales No Ferrosos (NFTDC) con sede en Hyderabad, India, en colaboración con la Universidad de Cambridge, Reino Unido, está desarrollando actualmente una pila de pilas de combustible de bajo costo adecuada para aplicaciones rurales.

Tanto los gasificadores como las pilas de pilas de combustible se prestan a la operación de micro-redes y brindan incentivos para la acción comunitaria, la participación, el empleo y el espíritu empresarial. Es posible distribuir el combustible a los hogares con pequeñas pilas de pilas de combustible para la generación individual de electricidad o producir electricidad a nivel de comunidad / aldea para su distribución a los hogares.

La biomasa es una fuente de energía neutra en carbono, ya que incorpora el carbono vivo de la naturaleza dentro de las reservas renovables y no pone en peligro la salud del ciclo del carbono, en contraste con el «carbono muerto» de los combustibles fósiles. Un combustible a base de biomasa que utilice desechos locales para generar electricidad a través de una celda de combustible es un buen modelo para ascender en la escala energética.

Conclusiones

El hecho de que el sector de la electricidad esté experimentando silenciosamente una transformación disruptiva a nivel mundial ofrece nuevas oportunidades para abordar la pobreza de la electricidad. La rápida expansión de la energía solar de cero emisiones respaldada por el almacenamiento de energía en baterías está lista para despegar, tanto dentro de la infraestructura de la red como fuera de la red. Algunas estimaciones pronostican 200 gigavatios de energía solar respaldada por baterías para 2025, un aumento de cuatro veces con respecto a 2015 y un aumento de cuarenta veces con respecto a 2005. En el corazón de esta transformación está la reducción masiva de costos tanto en las células solares como en la tecnología de iones de litio de rápido avance. baterías. Durante los próximos cinco años, se espera que la nueva «gigafábrica» de Tesla en los EE. UU. Duplique el suministro mundial de baterías de iones de litio para el mercado de almacenamiento de energía estacionaria, una tecnología habilitadora vital en los albores de la próxima era solar.

La electrificación fuera de la red de la comunidad rural mundial debería catalizar el desarrollo económico y social de las personas marginadas. Varias tecnologías disponibles, así como nuevas oportunidades en el horizonte cercano, se consideran viables y ambientalmente racionales, y contribuirán al desarrollo económico local.

Fuente: SMART VILLAGES: New thinking for off-​​grid communities worldwide. Universidad de Berkeley