Cómo asegurar la supervivencia de la humanidad?

Energía
y calentamiento global
¿Cómo asegurar la supervivencia
de la humanidad?
Dr. Dieter H. Otterbach
PRIMERA EDICIÓN EBOOK
MÉXICO, 2014
GRUPO EDITORIAL PATRIA
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editorialpatria.com.mx
www.editorialpatria.com.mx
Dirección editorial: Javier Enrique Callejas
Coordinación editorial: Lorena Blanca
Diseño de interiores: Perla Alejandra López Romo
Diseño de portada: Juan Bernardo Rosado Solís
Supervisión de preprensa: Miguel Angel Morales Verdugo
Revisión técnica:
M.C. Silvia E. Estrada
Directora del Departamento de Biotecnología
Escuela de Ingeniería y Ciencias Aplicadas
Tecnológico de Monterrey, Campus Puebla
Energía y calentamiento global.
¿Cómo asegurar la supervivencia de la humanidad?
Derechos reservados:
© 2014, Dieter H. Otterbach
© 2014, GRUPO EDITORIAL PATRIA, S. A. DE C. V.
Renacimiento 180, Colonia San Juan Tlihuaca
Delegación Azcapotzalco, Código Postal 02400, México, D.F.
Miembro de la Cámara Nacional de la Industria Editorial Mexicana
Registro Núm. 43.
ISBN ebook: 978-607-438-786-5
Queda prohibida la reproducción o transmisión total o parcial del contenido
de la presente obra en cualesquiera formas, sean electrónicas o mecánicas,
sin el consentimiento previo y por escrito del editor.
Impreso en México
Printed in Mexico
Primera edición ebook: 2014
V
Contenido
Introducción........................................................................... 9ix
1. Energía no renovable del Sol: combustibles fósiles.... 1
Carbón.
............................................................................ 2
........................................................................... 7
Petróleo.
Gas
.................................................................................. 12
Gas de Esquisto......................................................... 1
Arenas bituminosas.
......................................................... 16
2. Energía de la Tierra.......................................................
Energía geotérmica.
.........................................................
Energía nuclear.
...............................................................
Fisión nuclear............................................................
Fusión nuclear...........................................................
Resumen de energía nuclear.....................................
Campo magnético de la Tierra.........................................
Gravitación de la Tierra...................................................
21
21
23
24
34
35
36
37
3. Energía renovable..........................................................
Introducción y visión general..........................................
Energía hidroeléctrica.
.....................................................
Energía renovable del océano..........................................
Energía mareomotriz.................................................
Energía undimotriz....................................................
Energía renovable directamente del Sol..........................
Energía solar de baja temperatura.............................
Energía solar de alta temperatura..............................
Energía eléctrica solar (fotocélulas)..........................
Células fotoelectroquímicas......................................
Conclusión................................................................
3
3
41
44
45
47
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48
50
50
52
53
VI
Energía y CalEntamiEnto global
Energía del universo........................................................ 54
La energía más alta, rayos cósmicos:
ningún uso práctico................................................... 54
Energía eólica (de viento)................................................ 55
Biocombustibles.
............................................................. 60
Carbono neutro vs. carbono positivo........................ 62
Biocombustibles de primera generación................... 64
Bioalcohol, etanol
. .............................................. 64
Resumen del bioalcohol............................................ 65
Biodiesel
. ............................................................66
Biocombustibles de segunda generación.................. 69
Biocombustibles de tercera generación:
“combustible algal”................................................... 70
Biogás....................................................................... 71
Uso de biocombustibles............................................ 72
Resumen de biocombustibles.................................... 72
4. Hidrógeno, portador de energía................................... 75
Producción del hidrógeno.
............................................... 77
Del gas natural.......................................................... 77
Electrólisis del agua.................................................. 78
Transporte, almacenamiento
y seguridad del hidrógeno................................................ 80
Uso del hidrógeno.
........................................................... 81
Biohidrógeno.
.................................................................. 82
5. Cambio climático y calentamiento global.
Generalidades.
................................................................ 85
Hechos.
............................................................................ 85
Visión general.................................................................. 90 Fenómenos naturales.......................................................
El Sistema Solar........................................................ 91
Tierra......................................................................... Acuerdos internacionales.
................................................ 9
Protocolo de Kyoto, 1997......................................... 9
Comercio de derechos de .emisión ..................... Convención de Copenhague, 2009........................... 96
 Contenido
VII
Cancún, México, finales de 2010.............................. 98
6. Cambio climático y calentamiento global.
Consecuencias................................................................ Derretimiento de hielo: regiones polares y glaciares....... 99
.......................................................................... 103
Océanos.
Tierra y agua: agricultura................................................. 105
7. Cambio climático y calentamiento global.
Soluciones....................................................................... 1
Remedios a corto plazo....................................................112
En casas, oficinas y negocios.................................... 114
En la industria........................................................... 115
En la agricultura........................................................ 116
En la silvicultura....................................................... 11
Tecnologías existentes.....................................................11
Coches híbridos......................................................... 1
Captura y almacenamiento de carbono..................... 12
Red eléctrica inteligente............................................ 128
Carbón limpio........................................................... 12
Soluciones a mediano plazo............................................1
Automóviles eléctricos.............................................. 1
Celdas de combustión............................................... 1
Posibilidades a largo plazo..............................................1
Fotosíntesis............................................................... 1
Reacciones de dióxido de carbono............................ 13
Algunas ideas al respecto................................................135
8. Perspectivas a futuro..................................................... 139
Introducción
Al leer los periódicos e incluso al ver un mínimo de programas de
televisión, resulta imposible desconocer la gran cantidad de funestas amenazas para el futuro provocadas por los cambios climáticos.
Muchos de estos son hechos científicamente comprobados; no
obstante, la mayoría son ficción y simulaciones por computadora,
que muestran las imágenes más amenazantes. Por esa razón, en la
actualidad hay muchas personas, en especial los políticos, que aún
se confunden con estas contradicciones y exageraciones, y por tanto
prefieren ignorar todo y esperar que el “problema” desaparezca, pero
¡no será así! El gran problema es que estos informes deprimentes
solo muestran de forma exagerada y distorsionada los conflictos que
enfrenta la humanidad hoy en día, pero no proponen soluciones.
En este texto se muestran y estudian solo los hechos científicamente comprobados del cambio climático a nivel mundial, así como
sus diversas causas y consecuencias para la civilización. El objetivo
es señalar los esfuerzos políticos, técnicos, prácticos y de investigación requeridos para aumentar las posibilidades de supervivencia
para nosotros y las futuras generaciones. Con base en ese objetivo,
aquí se enumeran y se analizan las medidas necesarias inmediatas
que ya existen, así como las nuevas tecnologías que pueden implementarse a últimas fechas y aquellas áreas donde necesitan perfecix
0x
Energía y CalEntamiEnto global
cionarse más. Por último, el autor muestra promisorias ideas propias
y de otros autores para áreas de investigación y desarrollo y cómo
estas pueden concretarse.
Sin embargo, el mayor reto para la supervivencia de la raza
humana más allá del siglo xxi es reducir de manera drástica las
emisiones de dióxido de carbono (CO2) en la atmósfera, evitar un
calentamiento global cada vez mayor en la Tierra y eliminar el efecto invernadero, el cual puede hacer el mundo inhabitable en menos
de 100 años. Cerca del 80 % de la energía total mundial todavía se
produce de la combustión de elementos fósiles: carbón, petróleo y
gas. El dióxido de carbono (CO2) es el resultado de quemar estos
combustibles para generar electricidad, así como de los medios
de transporte (coches, camiones, trenes, barcos, aviones, etc.) y de
intensos procesos metalúrgicos y petroquímicos. De esta forma, el
objetivo principal para salvar el planeta debe ser desarrollar fuentes
alternas y renovables para la demanda cada vez mayor de energía
de la creciente humanidad; fuentes energéticas que no dependan de
quemar estos recursos tan preciados y limitados, y por tanto que no
liberen más CO2 en la atmósfera.
Asimismo, existen otras razones igual de convincentes para que
los grandes países consumidores de energía, como Estados Unidos y
China, entre otros, busquen con urgencia fuentes alternas de energía
renovable, a fin de lograr su independencia energética de las importaciones de petróleo, las cuales están agotando las reservas monetarias
de los países y pueden volverlos víctimas de chantaje energético por
parte de la Organización de Países Exportadores de Petróleo (opep).1
¡El momento de poner en marcha estas medidas es ahora!, antes
de que la temperatura aumente a un punto crítico. Sin duda, un es-
1
n. del r. e.: “La Organización de Países Exportadores de Petróleo (opep) es un organismo intergubernamental creado para coordinar las políticas de producción de petróleo
de sus 11 países miembros, con el fin de estabilizar el mercado internacional de los
hidrocarburos, conducir a los países productores de petróleo a obtener un razonable
retorno de las inversiones y asegurar el suministro continuo y estable de crudo para los
países consumidores. La opep produce 40 % del crudo mundial y 14 % del gas natural.”
http://www.pdvsa.com/index.php?tpl=interface.sp/design/readmenuprinc.tpl.
html&newsid_temas=49
 Introducción
xI
cenario creíble es que la Tierra puede volverse inhabitable, incluso
antes de que se agoten todas las reservas de petróleo, hacia finales
de este siglo. A pesar de la disponibilidad restringida de información
respecto al agotamiento de las reservas de hidrocarburos (sobre todo
por parte de Arabia Saudita), existen predicciones muy confiables
que indican que dentro de los próximos 20 años la producción de
petróleo crudo convencional comenzará a declinar. Más allá del
agotamiento del petróleo, la producción no convencional de fuentes
alternas de energía, como arenas bituminosas, Esquisto bituminoso
y carbón, puede extender de manera significativa las provisiones de
energía por algunos siglos más, aunque a precios mucho más altos y
con emisiones aún más grandes de dióxido de carbono.
Cuando el autor comenzó a escribir este texto (a principios de
2010), la crisis financiera global había provocado que los precios del
petróleo cayeran de más de 140 dólares por barril (hacia mediados
de 2008) a menos de 40 dólares por barril (a principios de 2009), aumentando de nuevo a cerca de 80 dólares en 2010. Desde entonces,
los precios por barril de petróleo subieron y persisten hasta hoy en
2013 alrededor de 100 dólares por barril. Los bajos precios de los
años anteriores desafortunadamente postergaron unos valiosos proyectos para el uso de energía renovable sin carbón.2 Aunque es poco
2
n. del r. t.: El viernes 25 de enero de 2013 el precio del petróleo de los futuros del crudo
estadounidense wti tocó un máximo intradía de 96.35 dólares por barril, y el precio del
petróleo del crudo Brent llegó a un máximo intradía de 113.50 dólares por barril. De
acuerdo con estos datos, se tienen las siguientes previsiones:
Encarecimiento del petróleo wti
El petróleo wti sube + 1,80 % en 2013.
Encarecimiento wti a 1 año = (¡)– 4,60 %(!).
Encarecimiento wti a 3 años = + 10,98 %
Encarecimiento wti a 5 años = + 13,67 %
Encarecimiento del petróleo brent
El petróleo brent sube + 0,64 % en 2013.
Encarecimiento brent a 1 año = + 3,32 %
Encarecimiento brent a 3 años = + 57,07 %
Encarecimiento brent a 5 años = + 27,97 %
Consúltese: http://www.preciopetroleo.net
xii
Energía y CalEntamiEnto global
Muchas fábricas son causantes de una contaminación atmosférica importante.
 Introducción
xiii
probable que dichos precios bajos persistan por más de uno o dos
años, todavía es muy desventurado el hecho de que estos provoquen
la postergación o cancelación de valiosos proyectos que podrían
convertir a la civilización actual en una en donde se usen fuentes de
energía renovable y sin carbono. Sin embargo, en este momento es
mucho más económico seguir quemando combustibles fósiles accesibles, los cuales siempre están en sobreoferta y son muy baratos.
Asimismo, la actual crisis financiera mundial, y por ende el costo
tan alto o inaccesible de los créditos, hacen que el financiamiento,
la planeación y la implementación de fuentes energéticas no contaminantes, aunque si bien más costosas y de largo plazo —como
la energía hidroeléctrica, nuclear, eólica, entre otras—, sean muy
difíciles de implantar y usar, sino es que imposible. Para evitar la
destrucción de la civilización y la extinción de la especie, no se debe
permitir que solo las consideraciones económicas con poca visión
gobiernen el futuro; en cambio, es preciso ver el panorama completo
de toda la biosfera, incluso si hay que hacer la transición temporal
de vivir con costos más altos, esfuerzos individuales más dedicados
y menos comodidades en la vida cotidiana.
Ahora, en 2013, la crisis financiera se ha intensificado en Europa,
aunque está cediendo poco a poco en el resto del mundo y por tanto
los precios del petróleo otra vez están alcanzando nuevas alturas. Sin
embargo, la mayoría de los líderes políticos del mundo no quieren
tomar decisiones que favorezcan al medio ambiente, ya que puede
afectar la economía de su país y poner en riesgo su propia posición, a
pesar de la evidencia de la creciente cantidad de desastres climáticos
que han sucedido a últimas fechas.
Los eventos climáticos recientes, como los inviernos tan fríos
que se han sentido alrededor del mundo entre 2008 y 2010, dan a la
población en general la falsa impresión de que en vez de experimentar un calentamiento global, se está ante el inicio de otra era glacial.
Este es un engaño cruel, porque el calentamiento global es una realidad definida (como se muestra a detalle más adelante). No hay duda
de que los gigantescos casquetes glaciares polares en las regiones
antártica y ártica, así como en Groenlandia, se están derritiendo (la
nasa ha mostrado una reducción de 20 %), así como también lo
es el hecho de que más de 90 % de los glaciares de la Tierra están
xiv
Energía y CalEntamiEnto global
retrocediendo de manera drástica. Este proceso agrega cantidades
enormes de agua dulce fría a los océanos del mundo, provocando
con ello cambios en las corrientes marinas mundiales y reduciendo
de manera temporal las temperaturas de los océanos, lo cual deriva
en climas más fríos, al menos durante años. Pero, cuando la mayor
parte de los glaciares polares haya desaparecido en unas décadas,
el calentamiento global impactará a la Tierra aún con más fuerza, y
entonces puede ser muy tarde para revertir o detener este proceso,
a menos que con una previsión de largo plazo estemos dispuestos
ahora a hacer los sacrificios necesarios para cambiar el mundo a
uno en que se use energía sin carbono.
Para comenzar, primero se deben conocer todas las fuentes energéticas disponibles en el planeta y cómo se usan e, incluso, cómo
se abusa de estas; por tanto, es necesario comprender su impacto
económico y su potencial de contaminación. Dichas fuentes se clasifican en: 1) energía que proviene directo del Sol, como la radiación
solar y las fotocélulas; 2) energía que proviene de manera indirecta
del Sol, como los combustibles fósiles; 3) energía de la Tierra, como
la geotermal y la nuclear; y 4) la energía renovable y la no renovable.
Incluso, existen algunas ideas muy exóticas, que al principio parecen
mera fantasía; sin embargo, ¿cuántas veces no se han hecho realidad
los sueños utópicos en periodos cortos?
Capítulo 5
Cambio climático y calentamiento
global. Generalidades
Hechos
En general, el calentamiento global es causado por los llamados gases
de invernadero en la atmósfera de la Tierra. Pero, ¿cómo se produce
el calentamiento global? Este se debe, en especial, a que la luz visible que proviene del Sol (longitud de onda corta) pasa con facilidad
a través del vapor de agua (nubes), el dióxido de carbono (CO2) y
de todos los demás gases en la atmósfera y calienta la superficie terrestre. La luz infrarroja, en forma de calor (longitud de onda larga),
irradia de regreso de la Tierra al espacio, por lo que los gases de
invernadero, sobre todo el vapor de agua y el CO2, reflejan parte
de esta luz infrarroja de regreso a la Tierra, manteniendo el calor cercano a la superficie; este es el llamado efecto invernadero. A medida
que se acumulan más de estos gases en la atmósfera, más calor se
redirige de nuevo a la superficie terrestre. Por fortuna, parte de esa
luz logra escapar de nuevo al espacio, de otro modo la superficie se
calentaría de manera continua.
Hasta el inicio de la era industrial, con la invención del motor
de vapor en 1751, los gases de invernadero habían mantenido un
equilibrio ideal durante los últimos 650 mil años; periodo en el que
los niveles de CO2 se hallaban en una proporción de alrededor de
85
86
Energía y CalEntamiEnto global
280 ppm (partes por millón) y la temperatura promedio de la Tierra era de 14 °C, excepto por algunas desviaciones a corto plazo,
provocadas por erupciones volcánicas y otros eventos naturales. En
la actualidad, el nivel de CO2 es de 385 ppm, razón por la cual la
Tierra se está volviendo cada vez más caliente. Por otra parte, sin
la concentración adecuada de gases de invernadero, el planeta sería
demasiado frío (su temperatura sería de alrededor de –27 °C), como
Marte.
La atmósfera terrestre constituye una capa muy delgada, de cerca
de 11 km (0.008 %), en comparación con el diámetro de la Tierra,
que es de 12 756 km, a la cual los humanos somos capaces de cambiar su composición. Por su parte, la troposfera, que es la capa de
aire, donde los aviones vuelan y se determina el clima, hasta ahora
todavía tiene apenas la mezcla adecuada de gases de invernadero
para liberar y atrapar calor suficiente, a fin de hacer que la Tierra
siga siendo capaz de albergar vida.
Los gases principales de efecto invernadero presentes en la atmósfera son el vapor de agua (nubes) y el CO2. La presencia de
vapor de agua se debe sobre todo a procesos naturales, como la
evaporación de los océanos, de los árboles en las selvas, etcétera, y
está fuera del control humano. Sin embargo, el aumento estrepitoso
en las emisiones de CO2 sí es resultado de la actividad humana. El
metano (CH4), aunque es un gas de invernadero 24 veces más fuerte,
tiene un efecto menor en el calentamiento global debido a su concentración relativamente baja en la atmósfera. Como se dijo antes,
el metano es emitido por los animales herbívoros y los vertederos de
basura, además de que también está presente en la profundidad
de los océanos como hidrato de metano. Hasta ahora, este no constituye un peligro inminente como el CO2.
Otros gases de invernadero conocidos son el ozono (O3), que
protege a la Tierra de la peligrosa radiación ultravioleta del Sol, y
el óxido nitroso (NOx), emitido sobre todo por los motores de combustión interna en las áreas urbanas importantes, el cual es responsable del esmog y de las altas temperaturas en las grandes ciudades
alrededor del mundo.
Con el inicio de la Revolución Industrial, la población de la Tierra
creció de manera sustancial. Así, es importante destacar que después
5 Cambio climático y calentamiento global. Generalidades
El cambio climático es producto de nuestras acciones.
87
88
Energía y CalEntamiEnto global
de la Segunda Guerra Mundial había menos de dos mil millones de
personas en la Tierra, mientras que en la actualidad somos cerca
de 6 600 millones, y se espera que en los 30 años próximos esta cantidad aumente más y llegué a casi 9 000 millones de seres humanos. La
actividad humana, como la combustión de elementos fósiles, también
se ha incrementado de forma exponencial, por lo que de igual modo
también se han elevado los niveles de CO2 a 385 ppm (lo que implica
un aumento de 37 % sobre los niveles preindustriales), los más altos
desde hace millones de años, con un incremento promedio en la temperatura de la superficie del planeta de 0.8 °C, desde 1990.
La mayoría del CO2, cerca de 97 %, es de origen natural; esto
es, que proviene de los seres humanos y los animales, así como de
las plantas en descomposición, de los incendios forestales, de las
erupciones volcánicas y de otros fenómenos naturales. Hasta ahora,
la Tierra ha sido capaz de mantener este frágil equilibrio climático en
esos niveles mediante la reabsorción de plantas, árboles y océanos.
En tanto, solo un pequeño porcentaje, 3 % del total de CO2, proviene
de las emisiones de la transportación y de la combustión de carbón
para electricidad, para la agricultura, para la producción industrial y
para todas las demás actividades humanas. No obstante, a pesar de
tratarse de un pequeño porcentaje de exceso de CO2 no reabsorbido,
este ya ha provocado un efecto notable en el clima de la Tierra. De
acuerdo con lo anterior, el equilibrio de la porción de carbono de
la Tierra significa que el planeta todavía es capaz de absorber casi
la mitad de este gas de la atmósfera por medio de la vegetación en
crecimiento, los océanos y la tierra misma. Pero, si continúa la deforestación y el crecimiento de la población y sus actividades, la
cantidad de gas que la Tierra puede reabsorber se limitará cada vez
más y el CO2 experimentará un aumento más exponencial.
Como se describe a detalle en los párrafos siguientes, en la actualidad los efectos perjudiciales del calentamiento global ya son
bastante notables en todo el mundo. Pero, la tendencia del calentamiento no es uniforme en el planeta completo, pues el efecto es
más drástico en las regiones árticas, lo cual está bien documentado
por la nasa. Esto se debe a que más de 90 % de la luz solar que
llega a los glaciares de hielo, como espejo, y de nieve blanca, se
refleja de nuevo al espacio, sin ningún calentamiento significativo
5 Cambio climático y calentamiento global. Generalidades
89
de las vastas superficies blancas. Ello se debe a que estas superficies
blancas reflejantes tienen un alto albedo (medición de la intensidad
de reflexión). Sin embargo, no sucede lo mismo con las aguas azul
oscuro de los océanos árticos, las cuales absorben más de 80 % de
la luz entrante, lo que resulta en temperaturas más altas en el agua,
acelerando el derretimiento de los glaciares. Esto se debe a que las
superficies oscuras, tanto del agua como de la tierra, poseen un albedo bajo, lo que significa que absorben gran parte de la luz entrante.
Las temperaturas de los océanos Ártico y Antártico han aumentado
un promedio de 2 °C en los últimos diez años. Por ende, el efecto
del calentamiento global se amplifica en las regiones polares de la
Tierra, las cuales son los sistemas primarios de control del clima del
planeta.
Debido a lo anterior, la profundidad de los glaciares polares disminuyó 40 % en los últimos años, lo cual es peor que las predicciones
más fatales de extensos modelos hechos por computadora.
La información referente a los niveles pasados de CO2 es muy
precisa, ya que proviene del estudio de los núcleos de hielo (cilindros largos de hielo extraídos de la perforación profunda en las capas
profundas de hielo, con un grosor de varios kilómetros) en la Antártica, donde se analizaron las burbujas de gas atrapadas en el hielo
desde hace varios milenios. A través de este método, los científicos
regresaron en el tiempo unos 650 mil años, y pudieron demostrar
que los niveles de CO2 habían permanecido por debajo de 300 ppm
durante este periodo. Es interesante apuntar que en estos núcleos
de hielo también se encontraron cenizas de la erupción del Monte
Vesubio, sucedida en el año 79 d.C.
El debate, de vez en cuando mordaz, sobre el clima del planeta
ha perdido de vista un componente clave: una medición precisa de
cuánto CO2 hay en el aire y cómo lo está reciclando la Tierra. Por
desgracia, en 2009 el Orbiting Carbon Observatory (oco, por sus
siglas en inglés), Observatorio de Carbono en Órbita, de la nasa,
cuyo valor ascendía a 273.4 millones de dólares, se estrelló en el
océano, muy cerca de la Antártica. La pérdida del oco fue muy significativa para el estudio del calentamiento global, debido a que este
se dedicaba a medir los niveles de CO2 en la Tierra. Este fracaso fue
una enorme decepción para la ciencia del clima, en especial porque