A medida que los datos, la inteligencia artificial y la descarbonización están transformando los sistemas energéticos globales, los profesores de Stanford Tony Kovscek y Roland Horne exploran cómo está evolucionando la ciencia energética para satisfacer las demandas de los próximos 25 años.
Los sistemas energéticos globales han experimentado cambios importantes en los últimos 25 años a medida que se expandió la capacidad solar y eólica, se redujeron los costos de la energía solar y las baterías, y más personas obtuvieron acceso a la electricidad y a combustibles más limpios para cocinar. El auge del gas de esquisto en Estados Unidos aceleró el declive del carbón, y el Acuerdo de París de 2015 y los compromisos nacionales de cero emisiones netas hicieron de la descarbonización un imperativo político a nivel mundial.
Los investigadores de Stanford ahora se preguntan cómo los científicos e ingenieros en energía pueden ayudar a informar decisiones energéticas inteligentes durante el próximo cuarto de siglo.
“En ese período de tiempo, habrá grandes cambios en la forma en que vive la gente”, dijo el experto en energía geotérmica Roland Horne , profesor de ciencias de la energía e ingeniería en la Escuela de Sostenibilidad Doerr de Stanford , y señaló que California tiene como objetivo generar el 100% de su electricidad a partir de fuentes renovables para 2045 y terminar con las ventas de automóviles a gasolina para 2030. A nivel mundial, los Objetivos de Desarrollo Sostenible de las Naciones Unidas exigen acceso universal a energía y cocina limpias para 2035 para proteger nuestro clima y la salud humana.
«El consumidor promedio no entiende realmente lo difícil que es esta propuesta», dijo el profesor de ciencias energéticas e ingeniería Tony Kovsceck , quien estudia la física y la química del flujo de fluidos subterráneos.
En la siguiente sesión de preguntas y respuestas, Horne y Kovscek explican algunos antecedentes sobre su campo en evolución de la ciencia y la ingeniería energética y los desafíos y oportunidades emergentes.
¿Cómo están cambiando el aprendizaje automático y la IA la investigación y la educación en ciencias de la energía?
Horne: Al observar el subsuelo terrestre, la característica principal es la escasez de datos. En kilómetros cúbicos de roca, se tienen quizás tres mediciones, y se intenta averiguar qué hay ahí abajo. Por lo tanto, el aprendizaje automático ha demostrado ser muy eficaz en la recopilación de datos y su interpretación durante los últimos 15 años. Casi todos nuestros estudiantes, si se analiza cualquier tesis doctoral en Ciencias e Ingeniería de la Energía, tienen una red neuronal presente en su investigación.
Ahora disponemos de más datos de los que un ser humano puede imaginar, algo que antes no teníamos. Puede que aún solo se cuente con tres pozos geotérmicos, pero estos podrían estar midiendo 20 variables diferentes cada segundo. En un par de años, se tienen unos pocos terabytes de datos y se necesitará un algoritmo para calcular su significado. Lo mismo ocurre con elementos como las baterías y la energía eólica y solar. Es necesario asegurarse de que las baterías estén cargadas para satisfacer la demanda energética de toda la red, incluso si la cantidad de sol y viento en las distintas regiones varía a diario.
Kovscek: Estas herramientas son realmente buenas para analizar una gran cantidad de datos de una manera relativamente desestructurada.
Un estudiante estaba interesado en estudiar cómo la información publicada en publicaciones especializadas y periódicos afectaba el precio del carbono en el mercado californiano. Es una cuestión compleja. Mediante IA, pudo analizar numerosos artículos periodísticos y elaborar un análisis bastante razonable. A veces parece que las noticias realmente afectan el precio del carbono, y otras veces no.
Los cambios que estamos viendo en la ciencia energética gracias a la computación y el big data no se limitan a los avances en IA. La mayor economía de la información nos ayuda a tomar decisiones difíciles, a comprender cómo hacerlo de forma más económica o que minimice los impactos negativos, o a una combinación de ambas. Esto implica muchos modelos que realizamos habitualmente. Pero ese es el desafío de la transición energética: ¿cómo tomar buenas decisiones?
“Los cambios que estamos viendo en la ciencia energética a partir de la computación y el big data no tienen que ver solo con avances en IA”.Tony Kovsceck
Esto se relaciona con la búsqueda académica fundamental. Intentamos comprender mejor cómo funciona el mundo para que, al crear cosas nuevas, podamos comprender su rendimiento, cómo mitigar los riesgos o cómo optimizarlas. Siempre nos preocupa cómo lo nuevo cambiará o no la situación actual. Nuestra contribución como científicos es poder afirmar que esta es nuestra mejor comprensión de cómo funciona un proceso, y tratamos de tener en cuenta todo lo que entendemos que es importante.
¿Qué aplicación de la ciencia y la ingeniería energética le entusiasma más y por qué?
Kovscek: Ahora mismo, lo que más me entusiasma es el llamado hidrógeno natural o hidrógeno geológico. Existen procesos en la Tierra que, si hay agua disponible, provocan una reacción que puede producir hidrógeno. Existen desafíos bastante importantes: necesitamos comprender mejor los procesos para usar menos agua. Pero es emocionante porque, en todas estas estimaciones de nuestras futuras necesidades y recursos energéticos, nunca se pensó en esto.
Horne: Mi actividad favorita es la geotermia. El 5% de la electricidad de California y el 10% de la de Nevada provienen de ella. Les aseguro que el 99% de los nevadenses y californianos lo desconocen. Por lo tanto, es un recurso significativo para la estructura de nuestra red eléctrica. Con sistemas geotérmicos mejorados, se abre la puerta a un tipo diferente de geotermia que puede implementarse de forma mucho más amplia. Es importante destacar que cuenta con apoyo bipartidista. Esto es muy prometedor. En lugar de detenerse y reiniciarse cada cuatro años, parece que esta tecnología de energía renovable puede consolidarse.
Si añadimos grandes cantidades de geotermia a la matriz energética del país en 2050, no es evidente cómo se podría integrar ni aprovechar, ya que la geotermia es lo que llamamos energía «firme». Se puede utilizar de forma continua. Sin embargo, este tipo de energía no es deseable en la red eléctrica actual, debido a la gran cantidad de energía solar que tenemos al mediodía, y no es fácil desconectarla. Por lo tanto, la integración de estas dos fuentes de energía incompatibles —solar y geotérmica— es un problema interesante y aún sin resolver. La geotermia tiene el potencial de sustituir a los combustibles fósiles, no mañana, pero quizás para 2050. Stanford Report. Traducido al español
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