Opiniones del Sector Retos y soluciones para el desarrollo de sistemas energéticos sostenibles

La energía sostenible es la piedra angular del esfuerzo mundial por reducir la dependencia de los combustibles fósiles. Los trabajos de investigación y desarrollo siguen proporcionando formas más limpias, eficientes y diversas de generar la energía que necesitamos para alimentar la sociedad moderna.

La sostenibilidad exige un enfoque de sistema de sistemas

El reto de lograr este enfoque de sistema de sistemas para el desarrollo de un sistema energético sostenible es el seguimiento y la medición de los numerosos aspectos que afectan a la sostenibilidad de un producto o sistema. Para ello, las empresas necesitan una forma eficaz de hacer un seguimiento de las características medioambientales de los numerosos componentes, materiales y subsistemas que forman parte de un sistema energético moderno y lo hacen a través de varios ecosistemas industriales conectados.

Por: Dale Tutt

Vicepresidente de Estrategia

Industrial, Siemens Digital Industries Software

Antes de unirse a Siemens, Dale Tutt trabajó en The Spaceship Company, una empresa hermana de Virgin Galactic, como vicepresidente de ingeniería y vicepresidente de gestión de programas, liderando el desarrollo de naves espaciales para el turismo espacial. Dirigió el equipo en un exitoso vuelo al espacio en diciembre de 2018. Anteriormente, trabajó en Textron Aviation/ Cessna Aircraft en funciones de liderazgo de programas e ingeniería. Como ingeniero jefe y director de programa del programa Scorpion Jet, dirigió un dinámico equipo multifuncional para diseñar, construir y volar el prototipo Scorpion Jet desde el concepto hasta el primer vuelo en 23 meses. Dale también trabajó como ingeniero en Bombardier Learjet y en General Dynamics Space System Division.

Amedida que mejoramos nuestra capacidad de producir energía limpia, también debemos tener en cuenta el impacto medioambiental global de los sistemas de alimentación que convierten la energía en trabajo: la conducción de nuestros coches, camiones, aviones y otras máquinas. La creación de sistemas energéticos sostenibles será otra pieza clave de nuestros esfuerzos por reducir las emisiones, pero estos sistemas son difíciles de desarrollar y aplicar. Esto se debe sobre todo a la inmensa complejidad del sistema de sistemas que implica la ingeniería, la fabricación, la implementación y el mantenimiento de un sistema de energía sostenible.

La

Necesidad De Sistemas De Energ A Sostenibles

En los Estados Unidos, las emisiones del transporte contribuyeron a la mayor parte de las emisiones de gases de efecto invernadero en 2020, con un 27% (EPA, 2022). En el mismo año, se estima que el transporte fue responsable de 7.200 millones de toneladas de emisiones de dióxido de carbono en todo el mundo (AIE, 2021). Mientras trabajamos para reducir nuestro impacto en el medio ambiente, la reducción de estas emisiones es crucial. Se trata de una tarea de gran envergadura, pero que podemos llevar a cabo mediante la innovación continua en tecnologías sostenibles, incluidos los sistemas que alimentan nuestros diversos vehículos y máquinas.

Se han propuesto, probado e incluso puesto en producción varias soluciones al problema de las emisiones del transporte. La más destacada hoy en día es la cadena cinemática eléctrica. En los últimos cinco años, la electrificación de los vehículos ha obtenido un amplio apoyo a nivel mundial como medio práctico y conveniente para reducir las emisiones de carbono en el sector del transporte.

Al alimentar los vehículos con electricidad en lugar de gasolina, podemos eliminar las emisiones del tubo de escape que genera un vehículo tradicional al quemar combustible, al tiempo que ofrecemos una experiencia de conducción y de uso comparable. Por ello, este enfoque está cobrando un gran impulso y debería seguir haciéndolo a medida que salgan al mercado más modelos, bajen los costes y entren en vigor nuevas normativas medioambientales en todo el mundo.

Aunque se está avanzando, la cadena cinemática eléctrica aún se enfrenta a algunos retos en cuanto a su impacto global en el medio ambiente. Lo mismo ocurre con otras formas de energía alternativa y sistemas energéticos sostenibles. Para crear un sistema energético verdaderamente sostenible, las empresas deben abordar su desarrollo, implementación y mantenimiento sobre el terreno desde una perspectiva completa, de sistema de sistemas. De este modo, pueden tener en cuenta y minimizar la huella medioambiental total del sistema, al tiempo que facilitan un entorno de desarrollo innovador y productivo para sus ingenieros y socios.

Una vez que disponen de esta información, necesitan una forma de gestionarla y conectarla con los requisitos del sistema energético para encontrar sinergias o descubrir posibles escollos para el sistema energético sostenible. Por último, para tener éxito, las empresas deben ser capaces de hacer esto de manera eficiente, sin perder tiempo y recursos que podrían estar mejor invertidos en perfeccionar el sistema energético. Por ejemplo, consideremos las decisiones de sostenibilidad que se toman para el abastecimiento, el transporte y el almacenamiento de hidrógeno para un avión con pila de combustible de hidrógeno. En primer lugar, ¿dónde se produce el hidrógeno y con qué métodos? En la actualidad, la mayor parte de la producción de hidrógeno utiliza el reformado de metano al vapor, que consume grandes cantidades de energía y produce dióxido de carbono como subproducto.

Las instalaciones de reformado de vapor-metano que emplean la tecnología de captura de carbono pueden producir un hidrógeno más limpio, pero lo hacen a un mayor coste. Un proceso totalmente diferente se basa en la electrólisis del agua para crear hidrógeno sin emisiones directas de carbono, aunque este proceso suele ser el más caro. Por último, dado que tanto la reformación con vapor de metano como la electrólisis requieren energía, también es importante tener en cuenta si esta energía procede de combustibles fósiles o de fuentes de energía alternativas.

Además, ¿cómo se transportará el hidrógeno desde las instalaciones de producción hasta los aeródromos, y cómo se almacenará para el servicio del avión con pila de combustible de hidrógeno? El hidrógeno puede almacenarse en forma líquida o gaseosa, pero ambas requieren tanques especializados que puedan soportar altas presiones, para el gas, o temperaturas extremadamente bajas para evitar que el hidrógeno líquido hierva. Es probable que esta infraestructura no exista en la mayoría de los aeropuertos y que haya que construirla para poder almacenar el hidrógeno in situ.

Estas consideraciones sobre el almacenamiento afectan también a las opciones de transporte del hidrógeno. Aunque existen tuberías de hidrógeno, se construyen para dar servicio a plantas químicas y refinerías de petróleo, no a aeropuertos. Por lo tanto, el hidrógeno necesario para las aeronaves con pila de combustible debe trasladarse en camiones u otro tipo de transporte terrestre. Las emisiones de estos transportes terrestres deben capturarse y considerarse para crear una imagen completa de sostenibilidad.

Aparte del hidrógeno, el fabricante de la aeronave también necesitará una forma de contabilizar los materiales utilizados para construir la propia aeronave, incluida la pila de combustible de hidrógeno, la electrónica, los motores eléctricos, etc. Entonces, como empresa que desarrolla un sistema de energía sostenible, ¿cómo coordinar el desarrollo y la implementación del sistema de energía con una compleja red de proveedores y socios en todo el mundo para lograr un sistema verdaderamente sostenible?

La digitalización es la base del desarrollo sostenible

Está claro que la respuesta es la digitalización. La digitalización permite a las empresas de todos los tamaños desarrollar una inteligencia colectiva para capturar, organizar y gestionar las métricas de sostenibilidad cruciales para desarrollar sistemas energéticos verdaderamente sostenibles, tanto en la cadena de suministro como en el ciclo de vida del sistema energético. La digitalización permite a las empresas conectar todo su ciclo de vida a través de una columna vertebral digital, con información que fluye bidireccionalmente en toda la organización. Incluso las empresas asociadas pueden incorporarse de forma segura a su columna vertebral digital, garantizando una colaboración más rápida y sencilla entre las organizaciones, y apoyando la responsabilidad de los objetivos generales de sostenibilidad.

La digitalización proporciona una base natural para un enfoque de sistema de sistemas para el diseño, la fabricación y el servicio de sistemas energéticos sostenibles. Puede ayudar a las empresas a gestionar el desarrollo de su sistema de energía (como una pila de combustible de hidrógeno), a la vez que cuenta con el panorama completo de sostenibilidad de ese sistema: desde la instalación del sistema de energía hasta la energía, la producción de energía, el transporte, etc.

Con un enfoque de ingeniería de sistemas digitalizado, los requisitos de sostenibilidad pueden añadirse a la definición inicial del producto, lo que permite su seguimiento a lo largo del ciclo de vida de su desarrollo. Desde el principio, el producto y los métodos de producción se crean con indicadores holísticos de sostenibilidad -como las emisiones de carbono, los contaminantes, el uso de energía y otras métricas de sostenibilidad- como requisitos.

La optimización de la sostenibilidad desde el principio minimiza los costosos y lentos cambios de diseño o las modificaciones de fabricación para reducir la huella medioambiental de un producto. Además, estos requisitos pueden aplicarse en cascada a lo largo de la cadena de suministro o de valor, con informes automatizados para dar cuenta de la totalidad del desarrollo y la creación del producto, incluso de aquellas partes que son desarrolladas por proveedores y socios.

Para el desarrollador de la aeronave propulsada por hidrógeno de nuestro ejemplo anterior, un enfoque digitalizado de sistema de sistemas puede ayudarle a establecer y ejecutar un conjunto de requisitos de sostenibilidad para la aeronave.

Además, la digitalización es un poderoso facilitador de la innovación tecnológica, la colaboración y la toma de decisiones informadas. Al invertir en la transformación digital, las empresas de todos los tamaños pueden abordar los retos del desarrollo sostenible empleando un enfoque de sistema de sistemas que se construye sobre hilos digitales de información. Este enfoque será fundamental en nuestros esfuerzos por transformar nuestras industrias, economías y sociedades en versiones más ecológicas y sostenibles.

26 - 28 DE ABRIL 2023

EXPO GUADALAJARA, JALISCO