8.1: Sistemas de Energía Sustentables - Capítulo Introducción
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Objetivos de aprendizaje
Después de leer este módulo, los estudiantes deben ser capaces de
- esbozar la historia del uso de la energía humana
- comprender los desafíos para continuar la dependencia de la energía fósil
- comprender las motivaciones y la escala de tiempo para las transiciones en el uso de energía
Introducción e Historia
La energía es una necesidad humana generalizada, tan básica como el alimento o el refugio para la existencia humana. El uso de energía mundial ha crecido dramáticamente desde el surgimiento de la civilización atrajo a los humanos de su larga existencia de cazadores-recolectores a estilos de vida más intensivos en energía en los asentamientos. El uso de energía ha progresado desde proporcionar solo las necesidades individuales básicas, como cocinar y calentar, hasta satisfacer nuestras necesidades de vivienda permanente, agricultura y ganadería, transporte y, en última instancia, fabricación, construcción de ciudades, entretenimiento, procesamiento de información y comunicación. Nuestro estilo de vida actual está habilitado por la energía fósil barata fácilmente disponible, concentrada por la naturaleza durante decenas o cientos de millones de años en convenientes depósitos de alta densidad de energía de combustibles fósiles que se recuperan fácilmente de minas o pozos en la corteza terrestre.
Desafíos de sustentabilidad
El ochenta y cinco por ciento de la energía mundial es suministrada por la combustión de combustibles fósiles. El uso de estos combustibles (carbón desde la edad media para calefacción; y carbón, petróleo y gas desde la Revolución Industrial para la energía mecánica) creció naturalmente a partir de su alta densidad energética, abundancia y bajo costo. Durante aproximadamente 200 años después de la Revolución Industrial, estas fuentes de energía alimentaron enormes avances en calidad de vida y crecimiento económico. A partir de mediados del siglo XX, sin embargo, comenzaron a surgir desafíos fundamentales que sugieren que el estado feliz del uso de la energía fósil no podía durar para siempre.
Contaminación Ambiental
El primer reto de sustentabilidad que se abordó fue la contaminación ambiental, largamente notada en las regiones industriales pero a menudo ignorada Los países desarrollados aprobaron leyes que limitaban los contaminantes que podían emitirse, y gradualmente durante un período de más de dos décadas la calidad del aire y del agua mejoró hasta que muchos de los efectos más visibles y nocivos ya no fueron evidentes.
Recursos Energéticos Limitados
El segundo tema de sustentabilidad a abordar ha sido la limitación de los recursos energéticos. La tierra y sus recursos fósiles son finitos, un simple hecho con la obvia implicación de que no podemos seguir utilizando combustibles fósiles indefinidamente. La pregunta no es cuándo se acabarán los recursos, más bien cuándo se volverán demasiado caros o técnicamente desafiantes de extraer. Los recursos se distribuyen por toda la corteza terrestre, algunos de fácil acceso, otros enterrados en lugares remotos o bajo barreras impenetrables. Hay yacimientos de petróleo y gas en el Ártico, por ejemplo, que no han sido explorados ni documentados, porque hasta hace poco estaban enterrados bajo pesadas cubiertas de hielo en tierra y mar. Recuperamos primero los recursos fáciles y económicos, dejando los difíciles para el desarrollo futuro. El balance costo-beneficio generalmente se enmarca en términos de pico: ¿cuándo la producción alcanzará un pico y luego disminuirá, no satisfaciendo la creciente demanda y, por lo tanto, creará escasez? Los picos en la producción de energía son notoriamente difíciles de predecir porque el aumento de los precios, en respuesta al aumento de la demanda y al miedo a la escasez, proporciona recursos financieros crecientes para desarrollar oportunidades de producción más caras y técnicamente desafiantes.
El petróleo es un excelente ejemplo de pico. Si bien el pico en la producción de petróleo de Estados Unidos fue famoso por M. King Hubbert 20 años antes de que ocurriera, las predicciones exitosas de picos en la producción mundial de petróleo dependen de factores desconocidos y son notoriamente difíciles (Owen, Inderwildi, & King, 2010; Hirsch, Bezdek, &Wendling, 2006). Los desafíos fundamentales son los recursos restantes desconocidos en cada nivel de costo de recuperación y los avances tecnológicos desconocidos que pueden disminuir el costo de recuperación. El retroceso del hielo ártico y la creciente capacidad de perforar pozos submarinos más profundos prometen traer más recursos petroleros al alcance financiero y técnico, pero las estimaciones cuantitativas de su impacto son, en el mejor de los casos, tentativas.
Distribución geográfica desigual de la energía
El tercer reto de sustentabilidad es la distribución geográfica desigual de los recursos energéticos. La figura\(\PageIndex{2}\) muestra la distribución de las reservas de crudo, con Oriente Medio teniendo mucho más petróleo que cualquier otra región y Europa y Asia, dos regiones de alta población y alta demanda, con apenas ninguna en comparación. Este desequilibrio geográfico entre los recursos energéticos y el uso de la energía genera incertidumbre e inestabilidad de la oferta. Los fenómenos meteorológicos, los desastres naturales, la actividad terrorista o las decisiones geopolíticas pueden interrumpir el suministro, con poco recurso para las regiones afectadas. Aunque las reservas mundiales fueran abundantes, su distribución geográfica desigual crea un problema de seguridad energética para gran parte del mundo.
Emisiones de CO 2 y cambio climático
La preocupación final y más reciente son las emisiones de dióxido de carbono y el cambio climático (ver capítulo 5). Desde que las Naciones Unidas crearon el Panel Intergubernamental sobre Cambio Climático en 1988, ha crecido la conciencia de los vínculos entre las emisiones humanas de dióxido de carbono, el calentamiento global y el potencial de cambio climático. Los científicos del clima de todo el mundo han documentado la evidencia del calentamiento global en las temperaturas del aire superficial, la tierra y el mar, el aumento del nivel del mar, la cobertura de hielo y nieve de los glaciares y el contenido de calor del océano (Arndt, Baringer, & Johnson, 2010) La figura\(\PageIndex{2}\) muestra tres medidas frecuentemente citadas del calentamiento global, la temperatura media de la superficie, el aumento del nivel del mar y la capa de nieve del hemisferio norte.
No cabe duda de las tendencias alcistas, y también hay signos inquietantes de cambio sistemático en otros indicadores (Arndt, et al., 2010). La extensión a corto plazo de estas tendencias se puede estimar por extrapolación. La predicción más allá de treinta años requiere desarrollar escenarios basados en supuestos sobre la población, el comportamiento social, la economía, el uso de energía y los avances tecnológicos que se llevarán a cabo durante este tiempo. Debido a que las tendencias en estas cantidades suelen estar marcadas por acontecimientos inesperados como la recesión de 2008 o el desastre nuclear de Fukushima de 2011, no se puede predecir con precisión el ritmo de las emisiones de carbono, el calentamiento global y el cambio climático a lo largo de un siglo o más. Para compensar esta incertidumbre, las predicciones se basan normalmente en una serie de escenarios con supuestos agresivos y conservadores sobre los grados de población y crecimiento económico, patrones de uso de energía y avances tecnológicos. Si bien las predicciones de cien años de tales modelos difieren en magnitud, el tema común es claro: la continua dependencia de la combustión de combustibles fósiles para el 85 por ciento de la energía global acelerará el calentamiento global y aumentará la amenaza del cambio climático.
La dependencia actual de los combustibles fósiles se desarrolló a lo largo de escalas de tiempo de décadas a siglos. La figura\(\PageIndex{3}\) muestra el patrón de uso de combustible en Estados Unidos desde 1775.
La madera fue dominante durante un siglo hasta la década de 1880, cuando más abundante, mayor densidad de energía y carbón menos costoso se convirtieron en rey. Dominó hasta la década de 1950 cuando el petróleo para el transporte se convirtió en el combustible líder, con el gas natural para calentar un segundo cercano. El carbón se encuentra ahora en su segunda fase de crecimiento, estimulado por la popularidad de la electricidad como portador de energía en la segunda mitad del siglo XX. Estas escalas de largo tiempo están integradas en el sistema de energía. Usos como el petróleo y su derivado de la gasolina para el transporte personal en automóviles o el uso generalizado de la electricidad tardan tiempo en establecerse, y una vez establecidos proporcionan inercia social e infraestructural contra el cambio.
Los cambios históricos en el sistema energético han sido impulsados por varios factores, entre ellos los desafíos de precio y suministro de la madera, la fácil disponibilidad y la posibilidad de reemplazo directo del carbón por madera, el descubrimiento de abundantes suministros de petróleo que permitieron un uso generalizado del motor de combustión interna, y el descubrimiento de abundante gas natural que es más limpio y transportable en ductos que el carbón. Estos impulsores del cambio se basan en la economía, la conveniencia o la nueva funcionalidad; los cambios resultantes en nuestro sistema energético aportaron un nuevo valor a nuestra mezcla energética.
Las motivaciones energéticas que enfrentamos ahora son de un carácter diferente. En lugar de agregar valor, la motivación es evitar escenarios de “fin del mundo” de valor decreciente: aumento de la degradación ambiental, escasez de combustible, suministros inseguros y cambio climático. Las alternativas a los combustibles fósiles son más caras y más difíciles de implementar, no más baratas y más fáciles que el status quo. Se revierten las motivaciones históricas de cambio que conducen a un mayor valor y funcionalidad. Ahora nos enfrentamos a la perspectiva de que cambiar el sistema energético para reducir nuestra dependencia de los combustibles fósiles aumentará el costo y reducirá la conveniencia de la energía.
Resumen
El uso continuado de combustibles fósiles que ahora abastecen el 85 por ciento de nuestras necesidades energéticas conduce a desafíos de degradación ambiental, disminución de los recursos energéticos, suministro de energía inseguro y calentamiento global acelerado. Cambiar a fuentes alternas de energía requiere décadas, desarrollar nuevas tecnologías y, una vez desarrolladas, reemplazar la infraestructura energética existente. A diferencia del cambio histórico a los combustibles fósiles que proporcionó un mayor suministro, conveniencia y funcionalidad, es probable que la transición a fuentes de energía alternativas sea más costosa y menos conveniente. En este capítulo conocerás los desafíos ambientales del uso de energía, estrategias para mitigar las emisiones de gases de efecto invernadero y el cambio climático, la electricidad como un portador de energía limpio, eficiente y versátil, los nuevos desafíos que enfrenta la electricidad en capacidad, confiabilidad y comunicación, la desafío de la transición de combustibles fósiles tradicionales a combustibles nucleares y renovables para la producción de electricidad. También conocerás la promesa de los biocombustibles a partir de celulosa y algas como alternativas al petróleo, calefacción de edificios y agua con energía solar térmica y geotérmica, y las ventajas de eficiencia de combinar calor y energía en un solo sistema de generación. Por último, conocerás los beneficios, desafíos y perspectivas para los vehículos eléctricos, y las prácticas energéticas sustentables que reducirán el impacto negativo de la producción y uso de energía en el medio ambiente y la salud humana.
Preguntas de revisión
- Los combustibles fósiles se han convertido en un pilar del suministro global de energía en los últimos 150 años. ¿Por qué está tan extendido el uso de combustibles fósiles?
- Los combustibles fósiles presentan cuatro desafíos para la sustentabilidad a largo plazo. ¿Qué son y cómo se comparan en la severidad de su impacto y costo de sus estrategias de mitigación?
- El suministro energético dominante a nivel mundial ha cambiado de madera a carbón y petróleo desde el siglo XVIII. ¿Cuánto tiempo tardó en ocurrir cada una de estas transiciones de energía y cuánto tiempo podría requerir una transición a suministros de energía alternativos?
Referencias
- Arndt, D. S., Baringer, M. O., & Johnson, M. R. (eds.). (2010). Estado del clima en 2009. Toro. Amer. Meteoro. Soc., 91, S1—S224, www.ncdc.noaa.gov/bams-state-... imate/2009.php
- Hirsch, R.L., Bezdek, R., & Wendling, R. (2006). El pico de la producción mundial de petróleo y su mitigación. Revista AiChE, 52, 2 — 8. doi: 10.1002/aic.10747
- Owen, N.A., Inderwildi, O.R., & King, D.A. (2010). El estado de las reservas mundiales de petróleo convencionales — ¿bombo o motivo de preocupación? Política Energética, 38, 4743 — 4749. doi: 10.1016/j.enpol.2010.02.026
Glosario
- combustibles fósiles
- Petróleo, gas y carbón producidos por la transformación química de plantas terrestres (carbón) y animales marinos (petróleo y gas) atrapados en la corteza terrestre bajo alta presión y temperatura y sin acceso a oxígeno. La formación de combustibles fósiles puede tomar.
- revolución industrial
- La transición de herramientas simples y energía animal para producir productos a maquinaria compleja impulsada por la combustión de combustibles. La Revolución Industrial comenzó en Inglaterra a mediados del siglo XVIII inicialmente centrada en el desarrollo de la máquina de vapor alimentada por carbón.
- motor de combustión interna
- La combustión de combustible dentro o “interna” al cilindro y pistón móvil que produce movimiento; los motores de gasolina son un ejemplo común. Por el contrario, las máquinas de vapor son motores de combustión externa donde la combustión y la generación de vapor están fuera del cilindro que contiene el pistón móvil. El motor de combustión interna es más ligero y portátil que la máquina de vapor, lo que permite un transporte moderno en automóviles, trenes con motor diesel, barcos y aviones.
- pico de petróleo/Pico de Hubbert
- Un solo pozo petrolero sigue un patrón de aumento de la producción en los años iniciales, ya que sus abundantes recursos se aprovechan para disminuir la producción en los años maduros a medida que se agotan sus recursos. Estas dos tendencias están separadas por un pico en la producción del pozo. M. King Hubbert extrapoló este patrón de un pozo a muchos y en 1956 predijo que la producción petrolera de Estados Unidos alcanzaría su punto máximo a mediados de la década de 1970. Aunque fue ampliamente criticada en ese momento, la predicción de Hubbert resultó cierta. Este éxito condujo a predicciones generalizadas para el pico de la producción mundial de petróleo. El concepto de pico de petróleo es una consecuencia inevitable de usar petróleo más rápido de lo que se puede hacer. Sin embargo, los intentos de predecir cuándo ocurrirá el pico son notoriamente difíciles.