Complexitat tècnica i socioeconòmica del model energètic : una aproximació biomimètica a les xarxes intel·ligents de transmissió d'energia i informació

Abstract

This thesis is a interdisciplinary research in the field of sustainable energy systems with the falsifiable hypothesis "a necessary transition from a society highly dependent on oil to one based on the use of local resources and energies" and its social, economic and technological consequences. Based on the analysis of the social and cultural context of the exploitation of fossil fuels is highlighted as the increased availability of energy, but above all power, allowing socioeconomic growth cycle so that is associated to the idea that "increased energy consumption implies a higher level of social progress". And vice-versa. It generates, thus, a social framework against any proposal of sustainability in the energy field. Thus, the technical possibility of getting more in less time has governed the development of a society to a high level of expertise (e.g. electrical system), and has shaped a specific vision of the world and the relationship between our society and the nature. However, the appearance of limits, both the availability of the resource, such as the sink capacity of ecosystems to absorb wastes, and other externalities such geostrategic conflicts has challenged contemporary society: a transition from energy, but above all power, to non-fossil resources. The complexity and implications of accepting this working hypothesis exceeds the current analysis framework and requires new epistemological approach that fuses sciences and humanities. The thesis analyses in depth the conceptual framework for the energy transition and condensed it in the "Principles of Biological Resources Management" from a biomimetic inspiration, that is, how nature manages the flow of energy, matter and information. A nuclear and significant contribution is the reinterpretation of "Sustainability" based on the confluence of energy flows (energy and power) between ecosystems that sustain the complex life on the Earth, and those flows that we use for our social, cultural and economic activities. The thesis goes from this conceptual point to reality in a technology, social, economic and ecological point of view. The analysis is global and focus in its implications in Catalonia, that supports an impact on about 5% of its GDP to pay fossil fuels imports and its financial consequences. Finally, the results achieved are summarized. "My laboratory, the world", collects the energy field research did in recent years by interacting with different social, political and economic players in energy arena and a prolific communicator activity that allowed to validate the complexity of the energy transition. On the one hand, the development of specific aspects of advanced machinery (from idea to market) inspired by nature for photovoltaic applications and the principles of a micro grid or Biogrid, which provides an innovative vision of the electrical system different to the current vision of smart grids. On the other hand, the dissertation analyses the non-technological barriers (cultural, economic, and especially regulatory) and their impact on energy transition, for example, the access to energy consumption data by citizens. Therefore this thesis sum up the objectives of the doctorate Sustainability, Technology and Humanism, provides a cross-balanced vision of the energy issue and opens new lines of research. Last, but not least, the thesis concludes with a summary of the scientific production based on international patents obtained, articles, proceedings, dissemination and research projects financed by European, state and national programs.

La presente tesis es una investigación transdisciplinar en el campo de los sistemas energéticos sostenibles con la hipótesis, falsable, de una "necesaria transición desde una sociedad altamente dependiente del petróleo a una basada en el aprovechamiento de recursos autóctonos y renovables" y las sus consecuencias sociales, económicas y tecnológicas. Partiendo del análisis del contexto cultural y social de la explotación de los combustibles fósiles se pone de relieve como el incremento de la disponibilidad de energía, pero sobre todo de potencia, permite un ciclo socioeconómico expansivo de modo que se asocia, hasta en nuestros días, la idea de que un mayor consumo de energía implica un mayor nivel de progreso social. Y a la inversa. Generando de esta manera unos marcos de referencia que cuestionan una propuesta sostenibilista en el campo energético. Así, la posibilidad técnica de hacer más cosas cada vez en menos tiempo ha regido el desarrollo de una sociedad hasta un alto nivel de especialización (por ejemplo el sistema eléctrico), y ha forjado la visión específica del mundo y de la relación de nuestra sociedad con la naturaleza. Sin embargo, la aparición de los límites en la disponibilidad del recurso y en la capacidad sumidero de los ecosistemas para absorber los residuos, además de otras externalidades (conflictos geoestratégicos…), ha planteado el reto contemporáneo de mayor envergadura: una transición de energía, pero sobre todo de potencia, hacia recursos no fósiles. La complejidad e implicaciones de aceptar esta hipótesis de trabajo sobrepasa el marco de análisis actual y hace necesaria una incursión en un nuevo campo epistemológico forjado en el pensamiento contemporáneo que fusiona las ciencias y las humanidades. La tesis lo analiza en profundidad y lo concreta en los "Principios Biológicos de Gestión de los Recursos", de inspiración biomimética, es decir, a partir de cómo la naturaleza gestiona los flujos de energía, materia y información. Una aportación significativa y central es reinterpretar la Sostenibilidad a partir de la confluencia de los flujos energéticos (energía y potencia) de los ecosistemas que sostienen la vida compleja en la Tierra y los que empleamos para nuestras actividades sociales, culturales y económicas. Este punto de partida conceptual y sólido se objetiva a nivel tecnológico, social, económico y ecológico. De forma global, pero concretando en sus implicaciones en Catalunya, que dedica ya cerca del 5% de su PIB para importar recursos fósiles, lo que genera tensiones económicas. Y, finalmente "Mi laboratorio, el mundo" recoge la investigación realizada el campo energético en los últimos años interaccionando con diferentes agentes sociales, políticos y económicos del sector y con una prolífica actividad divulgadora que han permitido contrastar la complejidad de la transición energética. Por un lado, aspectos concretos como el desarrollo de maquinaria avanzada (desde la idea al mercado) inspirado en criterios biomiméticos para aplicaciones solares fotovoltaicas y también los principios de diseño de una microrred o biogrid, que aporta una innovadora visión del sistema eléctrico diferenciado a la actual visión de las smart grids a partir de casos prácticos. Por otro, la tesis analiza las barreras no tecnológicas (culturales, económicas y, sobre todo regulatorias) y su impacto en la transición energética, como por ejemplo el acceso de los datos de consumo eléctrico por parte de los ciudadanos. Por todo ello la presente tesis hace suyos los objetivos del programa de doctorado Sostenibilidad, Tecnología y Humanismo, aportando una visión transversal y equilibrada de la cuestión energética y abriendo nuevas líneas de investigación. El trabajo concluye con una recopilación de la producción científica basada en las patentes internacionales obtenidas, artículos, proceedings, acciones de divulgación y proyectos de investigación y desarrollo financiados con proyectos europeos, estatales y nacionales.

La present tesi és una investigació transdisciplinar en el camp dels sistemes energètics sostenibles amb la hipòtesi, falsable, d'una "necessària transició des d'una societat altament dependent de petroli a una basada en l'aprofitament de recursos autòctons i renovables" i les seves conseqüències socials, econòmiques i tecnològiques. Partint de l'anàlisi del context cultural i social de l'explotació dels combustibles fòssils es posa de relleu com l'increment de la disponibilitat d'energia, però sobretot de potència, permet un cicle socioeconòmic expansiu de manera que s'associa, fins als nostres dies, la idea que un major consum d'energia implica un major nivell de progrés social. I a la inversa. Generant, d'aquesta manera uns marcs de referència que qüestionen una proposta sostenibilista en el camp energètic. Així, la possibilitat tècnica de fer més coses cada vegada en menys temps ha regit el desenvolupament d'una societat fins a un alt nivell d'especialització (per exemple el sistema elèctric), i ha forjat la visió específica del món i de la relació de la nostra societat amb la natura. Tanmateix, l'aparició dels límits tant en la disponibilitat del recurs, com de la capacitat embornal dels ecosistemes per absorbir els residus, així com altres externalitats com ara són els conflictes geoestratègics, ha plantejat el repte contemporani de major envergadura: una transició d'energia, però sobretot de potència, cap a recursos no fòssils. La complexitat i implicacions d'acceptar aquesta hipòtesi de treball sobrepassa el marc d'anàlisi actual i fa necessària una incursió en un nou camp epistemològic forjat en el pensament contemporani que fusiona les ciències i les humanitats. La tesi analitza en profunditat aquest marc conceptual per la transició energètica i que condensa en els "Principis Biològics de Gestió dels Recursos", d'inspiració biomimètica, és a dir, a partir de com la natura gestiona els fluxos d'energia, matèria i informació. Una aportació significativa i central és com es reinterpreta la Sostenibilitat a partir de la confluència dels fluxos energètics (energia i potència) dels ecosistemes que sostenen la vida complexa a la Terra i els que emprem per les nostres activitats socials, culturals i econòmiques. Aquest punt de partida conceptual i sòlid s'objectiva a nivell tecnològic, social, econòmic i ecològic. De manera global, però concretant en les seves implicacions a Catalunya que, amb un impacte a prop del 5% del seu PIB per pagar les importacions de recursos fòssils, es troba en dificultats econòmiques i de finançament. I, finalment, es mostren els resultats assolits. "El meu laboratori, el món", recull la recerca feta el camp energètic en els darrers anys interaccionant amb diferents agents socials, polítics i econòmics del sector i amb una prolífica activitat divulgadora que han permès contrastar la complexitat de la transició energètica. D'una banda, aspectes concrets com el desenvolupament de maquinària avançada (des de la idea al mercat) inspirat en criteris biomimètics per aplicacions solars fotovoltaiques i també els principis de disseny d'una microxarxa o biogrid, que aporta una innovadora visió del sistema elèctric diferenciat a l'actual visió de les smart grids a partir de casos pràctics. D'altra, la tesi analitza les barreres no tecnològiques (culturals, econòmiques i, sobretot regulatòries) i el seu impacte en la transició energètica, com per exemple l'accés de les dades de consum elèctric per part dels ciutadans. Per tot això la present tesi fa seus els objectius del programa de doctorat Sostenibilitat, Tecnologia i Humanisme, aportant una visió transversal i equilibrada de la qüestió energètica i obrint noves línies d'investigació. El treball conclou amb un recull de la producció científica basada en les patents internacionals obtingudes, articles, proceedings, accions de divulgació i projectes de recerca i desenvolupament finançats amb projectes europeus, estatals i nacionals.