Energía y Medio Ambiente
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CAMINANDO HACIA LA SOSTENIBILIDAD PRODUCCIÓN ENERGÉTICA Y MEDIO AMBIENTE ALTERNATIVAS DESDE LA SOSTENIBILIDAD Salvador Arijo Andrade Nociones sobre la Energía PRINCIPIOS DE LA TERMODINÁMICA La energía ni se crea ni se destruye, sólo se transforma En todo proceso de transformación de la energía hay una pérdida de energía en forma de calor. Un proceso de transformación será más eficiente cuanto menos energía pierda PANORAMA ENERGÉTICO ACTUAL Dependencia casi absoluta de las energías fósiles Agotamiento de los yacimientos petrolíferos a corto-medio plazo Aumento del precio del petróleo Incremento de los niveles de CO2 atmosférico CALENTAMIENTO GLOBAL CAMBIO CLIMÁTICO PANORAMA ACTUAL PANORAMA ACTUAL SOLUCIÓN Sustitución de las energías convencionales por energías renovables Disminución del consumo y aumento de la eficiencia energética Sin embargo... SIEMPRE QUE SE ENCIENDE UNA VELA SE CREA UNA SOMBRA TODA ACTIVIDAD HUMANA TIENE UN IMPACTO SOBRE EL MEDIO UNA POLÍTICA ENERGÉTICA SOSTENIBLE REQUIERE UNA LIMITACIÓN DEL CONSUMO ENERGÍAS CONVENCIONALES FRENTE A ENERGÍAS RENOVABLES Energías no renovables • Petróleo • Carbón • Gas natural • Nuclear Energías renovables • Hidráulicas • Solar • Eólica • Geotérmica • Mareomotriz/undimotriz • Biomasa ¿POR QUÉ UNA FUENTE ENERGÉTICA ES RENOVABLE? CRITERIOS PARA UNA FUENTE ENERGÉTICA RENOVABLE Y ALTERNATIVA CRITERIO DE SOSTENIBILIDAD La tasa de consumo de un recurso debe ser ≤ a su tasa de regeneración La producción de residuos debe ser ≤ a la tasa de eliminación de dicho contaminante por parte de los ecosistemas CRITERIO ENERGÉTICO La tasa de retorno energética (TRE) debe ser siempre >1 TRE = Ep / Ec PRINCIPIOS DE LA TERMODINÁMICA La energía ni se crea ni se destruye, sólo se transforma Ep: energía producida Ec: energía consumida para su producción En todo proceso de transformación de la energía hay una pérdida de energía en forma de calor. Un proceso de transformación será más eficiente cuanto menos energía pierda CRITERIOS ECONÓMICO Y SOCIAL El coste de producción debe ser < al valor (social/económico) del producto El cómputo debe tener en cuenta la internalización de externalidades DIFERENCIAS ENTRE ENERGÍAS CONVENCIONALES Y ENERGÍAS RENOVABLES NO RENOVABLES RENOVABLES • No se regeneran a la misma velocidad con la que se consume: se agotan irreversiblemente • Se regeneran a la misma velocidad con la que se consume: no se agotan • Producen desechos que no se eliminan a la misma velocidad de lo que se generan: Contaminación irreversible • No producen desechos o producen desechos que se eliminan a la misma velocidad de lo que se generan: No contaminan • En general los lugares productores están alejados de los consumidores: problemas geoestratégicos y de dominio • Se pueden producir en el mismo lugar donde se consumen: energías alternativas EL USO DE COMBUSTIBLES FÓSILES COMO FUENTE DE ENERGÍA CONVENCIONALES Carbón Petróleo Gas FUENTES NO CONVENCIONALES Arenas bituminosas Fractura hidráulica (Fracking) COMBUSTIBLES FÓSILES EFECTO DE LOS COMBUSTIBLES FÓSILES Aumento de la temperatura global Aumento del nivel del mar Cambio climático Cambio en los ecosistemas CO2 USO DE ENERGÍA NUCLEAR SITUACIÓN EN EL MUNDO ENERGÍA NUCLEAR SITUACIÓN EN ESPAÑA ENERGÍA NUCLEAR 1. La energía nuclear no es segura y limpia La probabilidad de que se produzca un incidente grave durante los cientos o miles de años que dura la radiactividad de los residuos es prácticamente del 100% Ha aumentado la probabilidad de ser usadas como diana de atentados terroristas 2. La energía nuclear emite CO2 La extracción de uranio así como la construcción y mantenimiento de las instalaciones necesitan el uso de maquinaria que consume energía fósil ENERGÍA NUCLEAR 3. El uranio es un elemento escaso El U235 se acabará en decenios (máximo 85 años según la OCDE), considerando el consumo actual Usando menas de riquezas inferior a 100ppm se consumiría más CO2 en su extracción del que produciría con gas natural Para obtener 100 gramos de U se necesita procesar aproximadamente una tonelada de roca rica en U y varias toneladas de rocas circundantes Del uranio natural extraído sólo el 0,7% es U235 La extracción de uranio produce la emisión de polvo contaminante 4. La energía nuclear no está siempre disponible Las centrales deben hacer paradas de mantenimiento Ante cualquier incidente las centrales tienen que parar su producción. Las nucleares no son capaces de adaptarse a variaciones de la demanda. En España se está dando la circunstancia de tener que parar molinos porque la producción excedía de demanda, algo que no se hace con las nucleares. 5. Las nucleares no reducen la dependencia exterior de energía España importa el 100% del uranio que utiliza en sus centrales ENERGÍA NUCLEAR 6. Países en vía de desarrollo cuentan con las nucleares para reducir la contaminación y hacer frente a la demanda energética Algunos países contemplan la energía nuclear como una forma de acceso potencial a la fabricación de armas nucleares (quien verdaderamente tiene armas de destrucción masiva no es atacado por las potencias) El aumento de países con capacidad nuclear incrementa el riesgo de accidente o atentados Política de doble rasero: unos países pueden disponer de energía nuclear y otros (como Irán) no. 7. El agua del río o del mar se contamina Incluso sin emisión radiactiva, la refrigeración del reactor supone una emisión de aguas contaminadas térmicamente a ríos y playas, al igual que sucede con las centrales térmicas 8. La gestión de los residuos no es segura Los residuos se tienen que gestionar de forma segura durante miles de años ¿Quién nos asegura la gestión durante tanto tiempo? ENERGÍA NUCLEAR EN RESUMEN: • • • • • Las reservas son limitadas Los residuos persisten durante más de mil años Peligro de accidente nuclear Diana de ataques militares/terroristas Hay países que la quieren potenciar, pero no quieren que la utilicen sus vecinos • Inviable económicamente internalizando los costes totales de mantenimiento y seguridad ENERGÍA HIDRÁULICA RENOVABLE PERO NO ALTERNATIVA VENTAJAS • En cauces continuos su aportación es constante • Gran capacidad de producción eléctrica • Las minihidráulicas no necesitan de la construcción de embalses DESVENTAJAS • Construcción de embalses • Gran impacto sobre las cuencas fluviales y sobre el ecosistema fluvial • No deja pasar los sedimentos: disminución de playas e influencia sobre la pesca ENERGÍA SOLAR • Solar térmica para calentamiento de agua • Solar térmica para producción eléctrica • Solar fotovoltaica ENERGÍA SOLAR Solar térmica sanitaria Hornos solares ENERGÍA SOLAR Solar térmica para producción eléctrica Concentradores de espejo Chimenea solar ENERGÍA SOLAR Solar fotovoltaica Tejados solares Placas con heliostatos Concentradores solares fotovoltaicos Aumentan la eficiencia al 35% Células solares esféricas Huertos solares • No usan seguidores • Su eficiencia supera el 20%. • Los costes de producción se reducen a la mitad ENERGÍA SOLAR VENTAJAS • Instaladas en tejado no hay ocupación del territorio • Prácticamente no genera impactos negativos (no hay ruidos, no afecta a la fauna, etc.) • Los paneles fotovoltaicos tienen bajo mantenimiento y vida media superior a 30 años DESVENTAJAS • Fotovoltaicas: amortización a largo plazo (cada vez menos) • No funciona de noche (solucionado parcialmente en solar térmica de sales fundidas) • Faltan políticas municipales de apoyo a su instalación en edificios • Los huertos solares ocupan espacio ENERGÍA EÓLICA VENTAJAS • Versatilidad: molinos de unos pocos KW a 5 MW • Muy rentables • Ideal: Explotación municipal o mancomunal para el autoconsumo ENERGÍA EÓLICA DESVENTAJAS • Ruido • Ocupación del territorio • Afección a la avifauna • Impacto paisajístico • Inestable: depende del viento • La instalación de grandes parques eólicos controlados por multinacionales no es la alternativa ENERGÍA EÓLICA PERSPECTIVAS FUTURAS Eólica marinas “off shore” ENERGÍA EÓLICA PERSPECTIVAS FUTURAS Velas-cometa para el desplazamiento de barcos mercantes Pueden ahorrar hasta el 15-50% de combustible GEOTÉRMICA VENTAJAS: Producción estable DESVENTAJAS: Sólo disponible en lugares con aguas termales o masas magmáticas Pueden liberar gases como metales pesados, arsénico, CO2 y sulfídricos disueltos en el agua termal MAREOMOTRIZ Y UNDIMOTRIZ 100 boyas (500 m) podrían generar electricidad para 55000 habitantes MAREOMOTRIZ Y UNDIMOTRIZ DESVETAJAS: Poco desarrollada Las centrales mareomotrices instaladas en estuarios naturales tienen un gran impacto ambiental EL USO DE BIOMASA COMO FUENTE DE ENERGÍA CO2 BIOMASA MATERIALES USADOS COMO FUENTE DE ENERGÍA • Maderas y restos vegetales • Cultivos energéticos • Lodos de aguas residuales urbanas • Restos animales • Residuos orgánicos • Residuos sólidos urbanos: destruye recursos y contamina BIOMASA FORMAS DE UTILIZAR LA BIOMASA • Usos térmicos • Producción de biogás • Producción de bio-combustibles • Generación de energía eléctrica BIOMASA BIOCOMBUSTIBLES Más peligros que beneficios CO2 Talar bosques para obtener cultivos energéticos no es la solución al cambio climático, sino que incrementa el problema CO2 BIOMASA FASES EN LA PRODUCCIÓN DE BIOCOMBUSTIBLES PRIMERA GENERACIÓN Se obtienen de cosechas cultivadas con especies y técnicas similares a la de la producción de alimentos Necesita sustratos con alto contenido en azúcares o grasas SEGUNDA GENERACIÓN Producido a partir de biomasa ligno-celulósica procedente de desechos agrícolas o de cultivos no alimenticios TERCERA GENERACIÓN Aceites procedentes de algas, e hidrógeno procedente de biomasa BIOMASA BIOCOMBUSTIBLES DE SEGUNDA GENERACIÓN Ventajas: Biomasa disponible abundante y barata Puede utilizar restos y residuos agrícolas No afecta al cultivo de especies comestibles, por lo que no compite con el consumo humano Desventajas: Necesita un mayor esfuerzo de investigación Costes de producción altos Objetivo: Uso de comunidades microbianas complejas que puedan realizar conjuntamente: 1. Degradación de celulosa y lignina 2. Formación de etanol, y/o metano e H2 Digestores con microbiota semejante a las encontradas en rumiantes o en isópteros BIOMASA USO SOSTENIBLE DE LOS BIOCOMBUSTIBLES Biocombustibles a partir de desechos: aceites de freír, desbroce, etc. Cultivos energéticos que cumplan los siguientes requisitos: 1. Utilización de suelos no forestales 2. Balance energético neto positivo 3. Plantación con criterios de cultivo ecológico 4. No competir con cultivos para la alimentación humana BIOTECNOLOGÍA Y PRODUCCIÓN ENERGÉTICA LECHO FIJO LECHO FLUIDIFICADO BIOTECNOLOGÍA Y ENERGÍA FERMENTACIÓN MICROORGANISMOS IMPLICADOS - Bacterias - Hongos Productos de la fermentación - Etanol - Butanol - Hidrógeno - Metano (digestión anaerobia) FERMENTACIÓN ALCOHÓLICA C6H12O6 → 2CO2 + 2CH3-CH2OH El uso de etanol en los automóviles de brasil (E100 y Flex) supera a la gasolina BIOTECNOLOGÍA Y ENERGÍA Substrato Membrana PRODUCCIÓN DE BUTANOL Bomba Producido principalmente por: - Clostridium acetobutylicum - Echerichia coli y Saccharomyces cerevisiae transformadas Problemas - Baja productividad - 0,8 g/l con cepas modificadas - Hasta 20 g/l con cepas silvestres de Clostridium - Inhibición de microorganismos a bajas concentraciones de butanol Producto BIOTECNOLOGÍA Y ENERGÍA FORMACIÓN DE HIDRÓGENO MOLECULAR Fermentaciones Butírica (Clostridium, Sarcina): ácido butírico, acético, CO2 e hidrógeno Ácido mixta (Escherichia, Salmonella, Shigella, Proteus, Yersinia, Photobacterium, Vibrio): ácidos (acético, láctico, fórmico), etanol e hidrógeno Butanodiólica (Serratia, Enterobacter, Bacillus): butanodiol, etanol e hidrógeno Factores limitantes: Presencia de O2 Formación de H2S (presencia de S0 o cisteina) pH (óptimo entre 5 y 6) Acumulación de H2 BIOTECNOLOGÍA Y ENERGÍA FORMACIÓN DE HIDRÓGENO Thermatoga Eubacteria gram negativa Produce lactato, acetato, CO2 e H2 como producto de la fermentación a temperaturas > 70 °C Thermatoga puede producir hasta un 25-30% de H2, y 12-15% de CO2 como subproducto Thermatoga BIOTECNOLOGÍA Y ENERGÍA METANOGÉNESIS - Condiciones anaeróbias - Producción de biogás: CO2, H2, CH4 y SH2 BIOTECNOLOGÍA Y ENERGÍA METANOGÉNESIS Producción de biogás Utilización Digestores de EDARs Plantas de RSUs Granjas ganaderas Calentamiento digestores de EDARs Calefacción Generación de electricidad BIOTECNOLOGÍA Y ENERGÍA CULTIVO DE ALGAS Y CIANOBACTERIAS TIPOS DE ALGAS Cianobacterias (bacterias) Microalgas Macroalgas (verdes, pardas y rojas) TIPOS DE CULTIVO Intensivo (gran consumo de energía) Extensivo (consumo de superficie) Recolección artesanal USOS Alimentación Fertilizantes y piensos Subproductos: agar, alginato, pigmentos, medicamentos, antimicrobianos Biocombustibles BIOTECNOLOGÍA Y ENERGÍA CULTIVO DE ALGAS Y CIANOBACTERIAS Ventajas de las microalgas: - No se utilizan para la alimentación - No ocupan suelos agrícolas - Alta tasa de crecimiento - Se puede convertir un 40% de su biomasa en biodiesel - Obtención de biodiesel como subproducto en cultivos de algas para otros fines (vitaminas, cosméticos, medicamentos, etc.) *Problemas: - Gran contenido en agua - Cultivos intensivos con TRE < 1 - Actualmente varias veces más cara que la gasolina BIOTECNOLOGÍA Y ENERGÍA BIOFOTOLISIS Indirecta 12H2O + 6CO2 2H2O 2C6H12O6 + 6O2 2H2 + O2 Directa C6H12O6 + 6H2O 12H2 + 6CO2 Chlamydomonas reinhardtii se está utilizando como alga productora de hidrógeno Otras algas: Scenedesmus obliquus, Chlorococcum littorale, Platymonas subcordiformis y Chlorella fusca Biofotolisis indirecta producida por cianobacterias como Anabaena cylindrica, Anabaena variabilis Enzimas implicadas: hidrogenasas y nitrogenasas BIOFOTOLISIS BIOTECNOLOGÍA Y ENERGÍA Anabaena cylindrica Ventajas Produce H2 a partir de agua, sin necesidad de compuestos orgánicos Su productividad es 10 veces superior a la obtenida con plantas terrestres Desventajas Requiere una alta intensidad lumínica Proceso inhibido por la presencia de O2 Baja eficiencia fotoquímica Chlamydomonas reinhardtii BIOFOTOLISIS BIOTECNOLOGÍA Y ENERGÍA Fotodescomposición de compuestos orgánicos Producida por bacterias fotosintéticas no del azufre: Rhodospirillum, Rhodobacter No poseen el fotosistema II, por lo que no hay interferencia con el oxígeno Poseen pigmentos carotenoides (rodopsina) y bacterioclorofila La producción de H2 se produce por mediación de la nitrogenasa en condiciones limitantes de nitrógeno Pueden crecer a partir de desechos en digestores de lecho fijo La eficiencia fotoquímica de la producción de H2 puede llegar al 10% en ausencia de O2 CH3COOH + 2H2O + Luz 4H2 + 2CO2 Rhodobacter SOLUCIONES FALACES Coche eléctrico No soluciona el problema de movilidad y del uso de energía fósil La fusión nuclear No se podrá utilizar a corto-medio plazo (al menos en 20-40 años) El agua como fuente de energía Las máquinas de movimiento perpetuo TASA DE RETORNO (TRE) TRE = cantidad de energía producida / Cantidad de energía utilizada para su producción Datos de TRE para algunas fuentes energéticas (Ballerilla, 2007) Petróleo USA (1930) 90-110 Petróleo importado USA (1979) 20-35 Petróleo USA (1970) 20-35 Petróleo importado USA (2005) 15-30 Petróleo nacional USA (2005) 5-20 Arenas asfálticas <1-5 Gas natural 10-25 Carbón USA (2005) 70-90 Nuclear 5-10 Hidroeléctrica 20-40 Aerogeneradores 30-40 Fotovoltaica 5-25 Leña 20-30 Gashol (etanol de Brasil) 3-5 Willow biomass (Salix sp.) 60-75 Revisión Biocombustibles (2007) <1-10 PERSPECTIVAS FUTURAS Pronósticos Agencia Internacional de la Energía (AIE), 2013: 1. Subida gradual de los precios del petróleo hasta alcanzar los 128 dólares por barril en 2035 (ahora está por debajo de 110) 2. Desde 2011 hasta 2035 la demanda de petróleo crecerá un tercio 3. El peso de los combustibles fósiles en el mix energético bajará desde el 82% al 76% en 2035 4. Se alcanzaran los 101 millones de barriles diarios en 2035, frente a los 89 millones de 2012 5. El crudo convencional pasará de representar el 80% de la producción 2012 a apenas dos tercios en 2035 6. El fracking, permitirá que EEUU se convierta, a partir de 2016, en el primer productor mundial de petróleo, y ser prácticamente autosuficiente en materia energética para 2035 7. China, y luego India, superarán a EE UU como mayores consumidores energéticos 8. China superará a EE UU como mayor consumidor mundial de crudo para 2030 9. Brasil se convertirá en exportador neto en 2015 PERSPECTIVAS FUTURAS Hemos llegado al pico del petróleo convencional El consumo de energía fósil queda, en parte garantizado por la explotación de hidrocarburos no convencionales El carbón sustituirá el consumo de petróleo, mediante su liquefacción, o usándolo en centrales térmicas, cubriendo la demanda de energía de los automóviles eléctricos Consecuencia: Mayor impacto ambiental, incluyendo el incremento del cambio climático NIGUNA ENERGÍA RENOVABLE ES LA SOLUCIÓN POR SÍ SOLA Solar y eólica no pueden adaptar su producción a la demanda La producción de electricidad a partir de biomasa o hidráulica puede ser estable, pero puede no ser suficiente si se produce de forma sostenible Mareomotriz y geotérmica no se dan en todos los territorios SOLUCIÓN: combinacion del uso de fuentes energéticas renovables Solar y eólica como fuentes principales de energía Hidráulica y biomasa como estabilizadores de la oferta energética diaria Sistemas de almacenamiento de excedentes energéticos: pantanos y depósitos de agua de sentido inverso y pilas de hidrógeno (en desarrollo) Proyecto 100%, isla de El hierro 10 MW eólica 10 MW hidráulica (para una semana) Resto: tejados solares REDUCIR ANTES QUE PRODUCIR • Disminuir los consumos innecesarios • Aumentar la eficiencia energética EJEMPLOS: Evitar la contaminación lumínica Disminución de la movilidad Transporte público y bicicleta Reutilización de materiales Aislamiento térmico de edificaciones Sistemas de cogeneración en empresas Dieta más vegetariana CONSUMIR MENOS PARA CONSUMIR MEJOR ARGUMENTOS INSOSTENIBLES • La tecnología lo soluciona todo • La culpa la tienen los gobiernos y son ellos los que tienen que aportar soluciones • La energía nuclear es la solución para evitar el cambio climático • Las energías renovables no pueden abastecer toda la demanda energética • Las energías renovables son caras • Es mejor invertir en fusión nuclear • Los culpables son los chinos • Los ecologistas están contra el progreso y quieren que vivamos en la edad de piedra
