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.

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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

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