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
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