Energía y calentamiento global

¿Cómo asegurar la supervivencia de la humanidad?

Dr. Dieter H. Otterbach

PRIMERA EDICIÓN EBOOKMÉXICO, 2014

GRUPO EDITORIAL PATRIA

Dirección editorial: Javier Enrique CallejasCoordinación editorial: Lorena BlancaDiseño de interiores: Perla Alejandra López RomoDiseño de portada: Juan Bernardo Rosado SolísSupervisión de preprensa: Miguel Angel Morales Verdugo

Revisión técnica:M.C. Silvia E. EstradaDirectora del Departamento de BiotecnologíaEscuela de Ingeniería y Ciencias AplicadasTecnológico 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 TlihuacaDelegación Azcapotzalco, Código Postal 02400, México, D.F.

Miembro de la Cámara Nacional de la Industria Editorial MexicanaRegistro Núm. 43.

ISBN ebook: 978-607-438-786-5

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Impreso en MéxicoPrinted in Mexico

Primera edición ebook: 2014

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Contenido

Introducción .......................................................................... 9ix

1. Energía no renovable del Sol: combustibles fósiles ... Carbón ............................................................................ Petróleo ........................................................................... Gas .................................................................................. Gas de Esquisto ........................................................ 5 Arenas bituminosas .........................................................

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 ..................................................

3. Energía renovable ......................................................... 39 Introducción y visión general ......................................... 39 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 ...............................................................

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Energía del universo ....................................................... La energía más alta, rayos cósmicos:

ningún uso práctico .................................................. 54 Energía eólica (de viento) ............................................... Biocombustibles ............................................................. Carbono neutro vs. carbono positivo ....................... 62 Biocombustibles de primera generación .................. Bioalcohol, etanol .............................................. Resumen del bioalcohol ........................................... Biodiesel ............................................................ Biocombustibles de segunda generación ................. Biocombustibles de tercera generación:

“combustible algal” .................................................. 70 Biogás ...................................................................... Uso de biocombustibles ........................................... Resumen de biocombustibles ...................................

4. Hidrógeno, portador de energía .................................. Producción del hidrógeno ............................................... Del gas natural ......................................................... Electrólisis del agua ................................................. Transporte, almacenamiento

y seguridad del hidrógeno ............................................... Uso del hidrógeno ........................................................... Biohidrógeno ..................................................................

5. Cambio climático y calentamiento global. Generalidades ................................................................

Hechos ............................................................................ Visión general ................................................................. Fenómenos naturales ...................................................... 91 El Sistema Solar ....................................................... Tierra ........................................................................ 92 Acuerdos internacionales ................................................ 5 Protocolo de Kyoto, 1997 ........................................ 5 Comercio de derechos de emisión ..................... 96 Convención de Copenhague, 2009 ..........................

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ContEnido

Cancún, México, finales de 2010 .............................

6. Cambio climático y calentamiento global. Consecuencias ............................................................... 99

Derretimiento de hielo: regiones polares y glaciares ...... Océanos .......................................................................... 103 Tierra y agua: agricultura ................................................ 105

7. Cambio climático y calentamiento global. Soluciones ...................................................................... 111

Remedios a corto plazo ................................................... 112 En casas, oficinas y negocios ................................... 114 En la industria .......................................................... 115 En la agricultura ....................................................... 116 En la silvicultura ...................................................... 117 Tecnologías existentes .................................................... 119 Coches híbridos ........................................................ 124 Captura y almacenamiento de carbono .................... 126 Red eléctrica inteligente ........................................... 128 Carbón limpio .......................................................... 128 Soluciones a mediano plazo ........................................... 129 Automóviles eléctricos ............................................. 130 Celdas de combustión .............................................. 131 Posibilidades a largo plazo ............................................. 131 Fotosíntesis .............................................................. 133 Reacciones de dióxido de carbono ........................... 133 Algunas ideas al respecto ............................................... 135

8. Perspectivas a futuro .................................................... 139

VII

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Introducción

Al leer los periódicos e incluso al ver un mínimo de programas de televisión, resulta imposible desconocer la gran cantidad de funes-tas 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 científica-mente 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 investi-gación 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 imple-mentarse a últimas fechas y aquellas áreas donde necesitan perfec-

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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 efec-to 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 importa-ciones 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 organis-mo 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

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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), au-mentando 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 pro-yectos 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

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Muchas fábricas son causantes de una contaminación atmosférica importante.

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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 acce-sibles, 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 con-taminantes, 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 experimen-tar un calentamiento global, se está ante el inicio de otra era glacial. Este es un engaño cruel, porque el calentamiento global es una reali-dad 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

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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 ener-géticas 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 clasi-fican 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 visi-ble 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 te-rrestre. 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 cer-cano 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

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280 ppm (partes por millón) y la temperatura promedio de la Tie-rra 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 cam-biar 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 at-mósfera 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 con-centración 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 consti-tuye 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 com-bustión interna en las áreas urbanas importantes, el cual es respon-sable 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

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El cambio climático es producto de nuestras acciones.

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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 canti-dad 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 tem-peratura 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 de-forestación 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 ac-tualidad los efectos perjudiciales del calentamiento global ya son bastante notables en todo el mundo. Pero, la tendencia del calen-tamiento 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

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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 albe-do 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 dis-minuyó 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 (cilin-dros largos de hielo extraídos de la perforación profunda en las capas profundas de hielo, con un grosor de varios kilómetros) en la Antár-tica, 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 sig-nificativa 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

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