Hacia una economía sostenible

Seguro que estamos hartos de oír a nuestra clase política que se va a invertir más en energías renovables, hartos también de escuchar como Greenpeace y demás asociaciones denuncian que se han incumplido las condiciones del protocolo de Kyoto o de Montreal. Nos han repetido hasta la saciedad que el petróleo se va a acabar, ¿por qué no se ha acabado según las predicciones más alarmistas? ¿Qué hay de cierto y de falso en la alarma social que se genera? Achacar todos los inconvenientes al desarrollo de la ciencia, refleja la incohererencia de nuestra sociedad: ¿quién está dispuesto a renunciar al nivel de vida del siglo XXI? Lo que está claro es que el mito del buen salvaje de Rousseau no es sostenible. La ciencia no es parte del problema sino de la solución.

¿Cuánto de contaminante tiene la extracción de petróleo, y su procesado para obtener gasolina y gas natural, cuánto contamina el carbón? ¿Es cierto que las investigación en energías renovables es la panacea?

Una herramienta para tratar de responder con rigor a estas preguntas planteadas es el LCA (Life Cycle Assessment). Se trata del ecobalance de un producto determinado desde su fabricación (extracción de materia) hasta la degradación conveniente, una vez se ha cumplido su uso. Nos permite evaluar un producto determinado o toda una empresa. Hay cuatro elementos básicos implicados en realizar un LCA:

1. Definición del objetivo y alcance del estudio;

2. Identificación y cuantificación de las cargas ambientales implicadas, por ejemplo: energía y materias primas consumidas, emisiones gaseosas, efluentes de agua, y residuos generados;

3. Evaluación del potencial de los impactos ambientales (evaluación de impactos);

4. Evaluación de las opciones disponibles para reducir estos impactos ambientales (interpretación).

La manera de calcular el LCA se basa en que las vías alternativas de síntesis de un producto se pueden considerar como un grafo; y por tanto, podemos aplicar un determinado modelo matemático: ya sea a través de fórmulas, o de programación informática. Veamos ejemplos de su utilidad en tecnologías consideradas sostenibles por la opinión pública: cultivos energéticos, obtención de energía a partir del hidrógeno y la producción de bioetanol.

Biocombustibles a partir de cultivos energético

Los cultivos energéticos se conocen como primera generación de biocombustibles. Se ha comprobado que no son suficientes para abastecer de energía a todo el mundo, ni para frenar el impacto industrial, por lo que nace la segunda generación: la producción de microalgas.

¿Cómo se calcula el impacto de los gases de efecto invernadero (GEI) producidos por los biocombustibles? Una manera se basa en la expresión que explicaremos a continuación. Los GEI netos a largo plazo asumen que ΔCsys es cero porque los suelos se equilibraron y no secuestraron carbono adicional; mientras que las emisiones a corto plazo de GEI se calculan como:

(GEInet)=(-Cdff)+(-ΔCsys)+(±CFC)+(-CCH4 ) + CN2O Dir + CN2O Ind + CChIn + CAgMa,

Los términos negativos representan el CO2 que no se emite a la atmósfera:

  • Cdff representa la cantidad de combustible fósil que se ha conseguido “evitar usar” por medio de tecnologías renovables.
  • ΔCsys, es el cambio en el sistema carbono de la biomasa del suelo.
  • CFC representa la distribución materia prima-conversión de carbono.
  • CCH4, la toma de CH4 por el suelo

Los términos positivos hacen referencia a la emisión tanto de dióxido de carbono como de otros gases GEI, por ejemplo, el N2O:

  • CCI  equivale a la emisión de CO2 a partir de las entradas de manufactura de químicos
  • la aplicación de fertilizantes y pesticidas, la cosecha y el secado del grano de maíz  viene representado por CAgMa.

Hidrógeno

El método más común para obtener hidrógeno es el reformado del gas natural. Ya que se trata de un combustible “limpio” pero que se obtiene a partir de un combustible convencional, el LCA nos puede ayudar a cuantificar y analizar los aspectos medioambientales de la producción de hidrógeno mediante esta vía.

Así, podemos determinar que en todas las etapas de producción de hidrógeno se emiten GEI, aunque la mayoría de las emisiones son resultado de la producción de gas natural, mientras que muy pocas provienen de la planta de hidrógeno propiamente. Resulta que la energía del gas natural es mayor que el contenido energético del hidrógeno producido. Conclusión: la eficiencia del ciclo de vida es negativa, y los resultados muestran que por cada MJ de combustible fósil consumido por el sistema se producen solo 0,66 MJ de hidrógeno.

Por lo tanto, nos indica que es necesario importante incrementar la eficiencia energética y las relaciones de cada proceso. Un LCA completo compararía este estudio con la producción de hidrógeno vía otras rutas como biomasa, viento y fotovoltaica, para determinar si es viable una economía basada en el hidrógeno (al menos a día de hoy).

Bioetanol

Este biocombustible consiste en la fermentación de materia prima vegetal, para obtener etanol que se pueda usar como combustible en medios de transporte o para generación de electricidad. Para realizar un LCA, se ha de tener en cuenta cada método de producción: el impacto de cultivar remolacha azucarera o trigo es distinto, ya que requieren un terreno determinado, la aplicación de fertilizantes e insecticidas, etc. Además, se debe tener en cuenta el rendimiento de la reacción química de fermentación, hay cultivos que proporcionarán más etanol que otros, y sin embargo, se debe considerar cuáles son de uso alimentario (que tiene prioridad). A lo largo del proceso de conversión en energía, se emitirán gases a la atmósfera, y no hay que olvidar que un LCA completo incluirá también la maquinaria agrícola, el transporte de etanol, la contaminación de los suelos que se cultivan, etc.

Von Blottnitz, H., & Curran, M. (2007), concluyen que hay dos factores predominantes en la obtención de energía en estos sistemas: productividad de cultivo/clima, y naturaleza de la alimentación (tipo de cultivo empleado). Finalmente, la conclusión es que la energía obtenida de bioetanol con respecto a combustibles y aditivos de plomo, supone una ganancia neta.

Método de Monte Carlo

Ya hemos visto alguna expresión y ejemplos sobre cómo realizar un LCA. Me gustaría terminar hablando del método numérico de Monte Carlo, que nos permite simular variables aleatorias. Recibe el nombre por analogía con los juegos de ruleta.

La metodología de simulación se guía por una referencia conocida de la incertidumbre. Las distribuciones se ajustan con suficientes datos, basados en el mínimo/máximo de los valores para modelar los parámetros. Las simulaciones de Monte Carlo permiten una investigación de cómo la incertidumbre se propaga a través del modelo de ciclo de vida de emisiones.

El método simplificado sería tan breve como esto (en Matlab):

clear

clf

N=500;

puntos=rand(N,2);

xpuntos=puntos(:,1);

ypuntos=puntos(:,2);

plot(xpuntos,ypuntos,’.');

hold on

puntospordebajo=0;

absc=[0:0.01:1];

ord=fun(absc);

plot(abs,ord,’-',’Color’,'Red’);

for cont=1:N

  funcion(cont)=fun(xpuntos(cont));

    if ypuntos(cont)<funcion(cont)

       puntospordebajo=puntospordebajo+1;

    end

end

Area=puntospordebajo/N

Por supuesto, para aplicarlo a modelos más complejos, habría que ajustarlo.

Conclusión

No hay que creerse todo lo que se cuenta acerca de las bondades de la sostenibilidad. Para evaluar si realmente supone un beneficio con respecto a las técnicas convencionales, se requiere un análisis riguroso, y una herramienta útil podría ser el LCA.

——————————————-

Este artículo participa en la II Edición de los Premios Tesla a la divulgación científica y nos lo envía Ununcuadio, una química apasionada de de la ciencia, la divulgación, la literatura y la filosofía. Podéis seguir su cuenta en twitter @Ununcuadio o visitar su blog.

Referencias

Adler, P., Grosso, S., & Parton, W. (2007). LIFE-CYCLE ASSESSMENT OF NET GREENHOUSE-GAS FLUX FOR BIOENERGY CROPPING SYSTEMS Ecological Applications, 17 (3), 675-691 DOI: 10.1890/05-2018

Mullins KA, Griffin WM, & Matthews HS (2011). Policy implications of uncertainty in modeled life-cycle greenhouse gas emissions of biofuels. Environmental science & technology, 45 (1), 132-8 PMID: 21121672

Spath P. L. y Mann M.K., Life Cycle Assessment of Hydrogen Production via Natural Gas Steam Reforming, February 2001, National Renewable Energy Laboratory

von Blottnitz, H., & Curran, M. (2007). A review of assessments conducted on bio-ethanol as a transportation fuel from a net energy, greenhouse gas, and environmental life cycle perspective Journal of Cleaner Production, 15 (7), 607-619 DOI: 10.1016/j.jclepro.2006.03.002

12 Comentarios

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PabloPablo

Creo que hay un fallo en el código de matlab, donde pone plot(abs,ord,’-’,’Color’,’Red’); sería plot(absc,ord,’-’,’Color’,’Red’); ¿no? ^^

Realmente interesante, aunque no acabo de entender la imagen de la generación de hidrógeno. Parece indicar que la mayor emisión de CO2 es en el empleo del hidrógeno, lo que no es coherente ni con el texto (cito: “aunque la mayoría de las emisiones son resultado de la producción de gas natural”), ni con la lógica. ¿Qué representa el 8.895 que sale de la planta de operación?

Gracias.

Ununcuadio

Hola!
Gracias por el comentario! :) No veo el error que señalas de programación, reconozco que la programación la hice hace tiempo, y no tenía disponible Matlab para comprobarlo cuando escribí el artículo.
Tienes razón en la figura: no la he situado en el mejor sitio… La figura habla solo del CO2 dentro del potencial de calentamiento global que SÍ es superior el emitido por la planta de hidrógeno. En el texto hablo solo de GEI (en el que se incluye el CO2 pero también más gases) por resumir. Gracias!!!

Jorge PardoJorge Pardo

Pero hasta donde pude enteder, este Estudio no concluye nada, solo da algunos ejemplos, algunos cálculos y sería. Es decir, como para empezar a explorar es bueno, pero para ilustrar e informar no cumple cabalmente con este objetivo

Ununcuadio

Probablemente sea porque tengo que mejorar “divulgando” :P
Por lo que sé si se emplea el LCA a la hora de evaluar la sostenibilidad, así que si he dado otra impresión, la culpa es mía.

JavierJavier

Articulo demasiado imcompleto y parcial a mi modo de ver.

El LCA es algo basico que se deberia utilizar para cualquier producto, y como tal es de agradecer el darlo a conocerlo aqui , pero el principio del articulo es de risa.

—Nos han repetido hasta la saciedad que el petróleo se va a acabar, ¿por qué no se ha acabado según las predicciones más alarmistas? ¿Qué hay de cierto y de falso en la alarma social que se genera? —

La idea no es que se vaya a acabar, la idea es que el pico del petroleo ya ha sucedido , que nuestra sociedad esta totalmente conectada con el precio del mismo , y que a partir de ahora este solo va a subir… cuanto tiempo podra nuestra sociedad sostener este incremento sin desmoronarse?

En los medios publicos aun no ha tratado este tema con la seriedad que se merece.

—Achacar todos los inconvenientes al desarrollo de la ciencia, refleja la incohererencia de nuestra sociedad: ¿quién está dispuesto a renunciar al nivel de vida del siglo XXI? —

Los incovenientes y la culpa no se achaca a la ciencia, se achaca al sistema de crecimiento sin limites de nuestra sociedad, algo ilogico en un mundo finito.

El nivel de vida del siglo WWI esta ya en crisis, era y es insostenible por donde se mire, por lo menos con el sistema actual.

Ununcuadio

Hola! Por lo que he estudiado, el petróleo BARATO (FÁCIL DE EXTRAER) y “POCO CONTAMINANTE” sí se está acabando, porque aunque queden yacimientos cada vez son menos … Están las arenas bituminosas, de las que se puede extraer petróleo de menos calidad y por un procedimiento complicado y caro además de contaminante. También es interesante conocer que al principio los motores funcionaban con aceite, pero al encontrarse el petróleo, se adaptó todo al nuevo combustible.
Siento que mis frases coloquiales le parezcan de risa: intentaba hacerlo ameno y acercarlo a gente que tenga una percepción negativa de la ciencia, y de la química en particular. Ya veo por los comentarios que no lo he logrado, pero me parece que aunque mi post no lo merezca, los artículos que he reseñado y que aparecen en las referencias sí lo merecen.

Theios

Desde la facilidad para trollear que proporciona internet… coincido con Javier.

Si hablamos de eficiencia energética en el ciclo completo de la generación de biocombustibles en base a etanol obtenido desde cultivos energéticos, principalmente el maiz, como mencionan tus referencias. Los estudios presentan conclusiones diferentes hasta donde pude leer en el resumen del articulo. (http://www.sciencedirect.com/science...52606001016).

Comentar que se pueden obtener otros tipos de biocombustibles, no solo los derivados del maiz, que son lo que principalmente se usan en EEUU debido a su elevada producción de este cereal. También existen otros tipos de motores de combustión interna que pueden funcionar con estos biocombustibles, ademas no hay que olvidar que, como comentas, el primer motor diésel funcionó con un aceite “de la época”.

Hasta donde yo se, la producción del hidrógeno, si se convirtiera en el vector energético dominante, no se realizaría mediante el método de reformado de gas natural, por que como indicas es un método altamente ineficiente si tenemos en cuenta su ciclo completo. Sin embargo, por el sistema actual basado en los combustibles fósiles es el mas rentable económicamente. Lo que no quita que existan varios otros métodos para la obtención de hidrógeno que probablemente en otro tipo de economía serian mas rentables (Electrolisis, gasificación o pirolisis, serian buenos ejemplos).

Respecto a la energía eólica indicar que ya se ha alcanzado y superado la paridad con el precio de venta en la red eléctrica.(http://www.gamesacorp.com/recursos/d...ay-2012.pdf, pagina 15).

La extracción de petroleo y gas de fuentes no tradicionales puede prolongar el uso de combustibles fosiles, pero evidentemente es un recurso limitado, como el petroleo, sin contar con el impacto medioambiental negativo, que hasta donde yo se es bastante elevado.

Consumir combustibles fósiles es una decisión socio-económica y no deberíamos de perder esta perspectiva.

En mi opinión es una mala decisión, pero esta es solamente mi opinión.

KepaKepa

Interesante artículo, aunque habría que aplicar el mismo método para técnicas actuales cuando entonces eran toda una novedad…
Entiendo que hay que ser precavidos ante la demagogia de la sostenibildad pero ello no implica que el “estado de bienestar” de hoy en día sea sostenible. Si bien confío en la ciencia para poder solventar los problemas o necesidades actuales de la sociedad, personalmente opino que va un paso por detrás en términos temporales. China va muy rápido, India igual… Es imposible que pretender vivir con todas las comodidades y que ello no estalle por algún lado. Modo pesimismo ON!

Mariano SanzMariano Sanz

Este artículo esta bastante anticuado, NADIE habla ya del hidrogeno como fuente de energría, sino como vector energético e igual le pasa a los combustibles biocombustibles y el etanol, ahora de lo que se trata de de producir energía primaria desde la eólica o la temosolar o fotovoltaica, para producir esos vectores como el hidrógeno, donde por cierto estas renovables ya son competitivas sin primas y con un EROI parecido, o incluso mayor en el caso de la eólica o la termosolareléctrica, al petroleo que se saca actualmente.

Ununcuadio

Por lo que sé: ninguna renovable es competitiva a día de hoy, las eficiencias energéticas son muy bajas aún: ninguna individualmente podría proporcionar la energía que utilizamos, ni tampoco sumando todas. Siendo estrictos, es cierto que el hidrógeno es un vector de energía, pero siguiendo el razonamiento entonces también el petróleo lo es, por lo que no me parece inadecuado hablar de ‘fuente de energía’ en general. Sé que el tema del artículo no es novedoso: para mí sí lo fue cuando lo investigué y solo pretendía transmitir lo que aprendí. Y sé puede ver las fechas de las referencias bibliográficas: 2001, pero también 2007 y 2011, aunque sea un review se ofrecen resultados actualizados.

IvánIván

Lo cierto es que el Análisis de Ciclo de Vida (ACV en español, LCA en inglés) no sólo no es nada novedoso, sino que es una herramienta comúnmente utilizada desde hace años, en los sectores industrial y agroalimentario especialmente aunque no exclusivamente, para conocer el impacto medioambiental de productos y servicios.
El sector de combustibles, y el de biocombustibles en concreto, está regulado por ley en Europa, y no se pueden fabricar y distribuir sin, entre otros requisitos, haber calculado previamente (vía ACV generalmente, aunque no siempre es así) el ahorro comparable previsto de emisiones de CO2 equivalente.

Ununcuadio

Gracias por comentar! Es interesante saber lo que dices.
Digamos que no busqué lo novedoso sino transmitir lo que aprendí en la búsqueda bibliográfica. Según trabajaba el tema, me pareció lo suficientemente interesante como para mandarlo a Naukas. Un saludo

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