Uso de energía, fuentes de energía y cambio climático

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Pueden distinguirse dos tipos básicos de fuentes de energía: las energías de flujo y las energías de stock

Fuentes de stock

Las fuentes de energía más utilizadas son las de stock: geotermia, atómica, carbón mineral y, de manera excesivamente intensa, petróleo y todos los combustibles fósiles. Stocks finitos, fuentes energéticas de baja entropía que proporcionan altas cantidades de energía utilizable para transformarla en trabajo.

FUENTES DE STOCK Y EXPLOTACIÓN PETROLERA…

Fuentes de flujo

Las energías de flujo son típicamente la biomasa (la leña, los alimentos), el viento, los ríos, las mareas y la radiación solar (como es el caso de todas las estrellas). En realidad la fuente fundamental y primaria de energía es el sol, incluso de la geotermia, de la atómica o nuclear, de los vientos, de las corrientes marinas, de los ríos y de los combustibles fósiles (ya que se trata de biomasa fósil, resultado de la fotosíntesis de hace cientos de millones de años que, por procesos geológicos pasó de ser moléculas de carbohidratos a moléculas de hidrocarburos)…

FUENTES DE FLUJO Y SU APROVECHAMIENTO…

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Cambio climático y efecto invernadero

El cambio climático que tanto nos preocupa actualmente es resultado de la utilización intensiva y colosal de los combustibles fósiles y la deforestación, sobre todo a partir de la revolución industrial. Por consiguiente, los países que primero iniciaron su industrialización son los mayores responsables históricos (particularmente Reino Unido, los Estados Unidos y los de Europa Occidental), en tanto que los países de industrialización tardía somos responsables de la intensificación de las emisiones de gases de efecto invernadero (GEI) en el presente (particularmente, los de Europa Central y del Este, China y la India).

Determinantes del clima

(1) La edad de nuestra estrella el Sol.

Sabemos que el sol era 30 por ciento menos cálido en sus orígenes (hace cinco mil millones de años) y en los orígenes de nuestro sistema planetario y de la Tierra (hace 4 mil 670 millones de años). Sabemos que el sol es finito y que en un futuro muy distante (miles de millones de años) acrecentará su volumen cuando haya agotado su combustible de hidrógeno (H), utilice alternativamente el helio (He) y se convierta en una estrella roja, de tal talla que engullirá a Mercurio y Venus. Por consiguiente, se trata de una constante que no modifica el clima de la Tierra a escala humana.

(2) Los ciclos de Milankovic

Mientras que la energía radiativa del sol se mantiene prácticamente constante durante millones de años, la órbita terrestre y el eje de rotación de la Tierra varían en decenas de miles de años y estas variaciones sí influyen en el clima a escala humana, particularmente en la emergencia de glaciaciones e interglaciares. Milutin Milankovic, geofísico y astrónomo serbio, identificó y explicó las variaciones orbitales que influyen secularmente en el clima de la Tierra.

(2.1) La precesión de los equinoccios, que es el cambio en la dirección del eje de rotación de la Tierra y que completa un ciclo cada 26 mil años. La precesión modifica la cantidad de radiación solar que impacta los hemisferios norte y sur en los afelios y perihelios, lo cual hace inviernos y veranos más o menos extremosos. Actualmente el eje de rotación de la Tierra en dirección norte apunta hacia la estrella polar (la alfa de la Osa Menor); dentro de 13 mil años apuntará hacia Vega (la estrella alfa de la constelación de Lira).

(2.2) La inclinación del eje de rotación de la Tierra respecto del plano de la eclíptica (plano de rotación alrededor del sol) que, se estima, varía entre 22.1º y 24.5º y completa un ciclo cada 41 mil años. Actualmente estamos a 23.5º; a mayor inclinación más extremas las estaciones.

(2.3) La oscilación del plano de la eclíptica. El plano de la eclíptica es el plano imaginario que dibuja la Tierra en su traslación alrededor del sol, considerados los otros siete planetas del sistema, e influido sobre todo por el plano de rotación de Júpiter. En el curso de miles de años la Tierra se posiciona un poca más arriba o un poco más abajo de este plano lo que —junto con la precesión de los equinoccios y la inclinación de su eje de rotación— influye de manera determinante en el clima de nuestro planeta.

(2.4) La excentricidad orbital. La elipse que dibuja la Tierra en su traslación alrededor del sol varía de casi circular con una excentricidad de 0.005, a ligeramente elíptica con una excentricidad de 0.058, lo cual influye sobre la cantidad de energía solar que impacta la superficie terrestre en perihelios y afelios. La excentricidad actual es de 0.017 y por tanto la diferencia entre el mayor acercamiento al Sol (perihelio) y la mayor distancia (afelio) es sólo 3,4% (5,1 millones de km), lo cual supone una diferencia de 6,8% en la radiación solar entrante entre perihelio y afelio. En cambio, cuando la órbita es muy elíptica, la cantidad de radiación solar al perihelio es de alrededor de 23% mayor que en el afelio. Es evidente que esta variación es la de mayor influencia de las cuatro descritas por Milankovic.

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(3) Concentraciones de bióxido de carbono (CO2) y otros gases de efecto invernadero (GEI)

La composición química de la atmósfera terrestre se ha modificado drásticamente en el curso de la historia de la Tierra. En sus orígenes, la atmósfera era reductora, es decir que no contenía oxígeno (O2) pero sí altas concentraciones de CO2 (¡más de 100 mil partes por millón!). En el curso de dos mil millones de años, cianobacterias capturaron y fijaron carbono (C) en forma de carbonatos (CO3, CO4; los estromatolitos), liberando grandes de O2, transformando a la atmósfera en oxidante (indispensable para la fotosíntesis). Ya para el periodo Cámbrico (hace 540 millones de años) la atmósfera contaba con alrededor de un 16 por ciento de O2; y alcanzó su pico máximo entre el Carbonífero y el Pérmico (hace 300 millones de años), con más de 33 por ciento de O2 (época de intensa fotosíntesis y de los grandes depósitos geológicos de biomasa que dieron lugar a los combustibles fósiles). Como sabemos, la atmósfera cuenta con un 21 por ciento de O2 y, hasta antes de la revolución industrial, con 280 partes por millón (ppm) de CO2.

Actualmente la concentración de CO2 superó ya la cota de las 400ppm. En la medida que el CO2 (entre otros gases como el metano, CH4, el óxido nitroso, NO2, o producidos industrialmente que no existen de manera natural) es transparente a la radiación solar que impacta y calienta la Tierra, pero relativamente opaco a la radiación infrarroja que refleja la superficie terrestre calentada, posee un efecto invernadero, ya que parte de la radiación infrarroja rebota nuevamente hacia la superficie terrestre, calentándola más (tal y como funcionan los invernaderos, aunque en este caso la opacidad a la infrarroja es la del vidrio).

De las tres determinantes del clima en la Tierra: (1) la edad de nuestra estrella, el sol, constituye una constante para Homo sapiens; (2) las variaciones de los ciclos de Milankovic producen glaciaciones e interglaciares y sí han impactado a Homo sapiens en el curso de su evolución; de hecho, los cambios climáticos ocurridos durante los últimos cinco millones de años condujeron a la aparición del género Homo hace 2.3 millones de años y, hace alrededor de 300 mil años, a nosotros; (3) finalmente, en las concentraciones de CO2 y otros GEI, que determinan la cantidad de energía infrarroja que la atmósfera retiene en la superficie terrestre, Homo sapiens influye y cada vez más de la revolución industrial a la fecha. Actualmente las emisiones globales anuales superan los 40 mil millones de toneladas de GEI.

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Carbonización de la economía desde la Revolución Industrial

1 billón de toneladas de CO₂ emitidas y 750 mil millones más hacia el 2030

Hace alrededor de 250 años la revolución industrial se volcó sobre fuentes fósiles de energía: carbón y petróleo. De entonces a la fecha, todo desarrollo económico, todo proceso de industrialización, temprano y directivo o tardío y subordinado, contribuye a incrementar las emisiones de gases de efecto invernadero [GEI] en la atmósfera terrestre y, por consiguiente, a generar costos de adaptación ante los impactos adversos del calentamiento global.

Los principales responsables del problema son los países más industrializados y los que primero iniciaron sus procesos de industrialización hace 250 años. Pero hoy también las grandes economías emergentes, como China, India, Indonesia, Sudáfrica, México o Corea del Sur, entre muchas otras, contribuyen cada vez más con las causas del problema, por lo que su solución solo será posible si también se comprometen a reducir emisiones.

Fuente: Socolow, RH. 2005. Almacenamiento del dióxido de carbono bajo tierra. Investigación y Ciencia.

Acumulativamente, el proceso de industrialización ha emitido más de un billón de toneladas de bióxido de carbono y otros GEI (como metano, óxido nitroso y cloro-fluoro-carbonos), mucho más allá de los límites de la biosfera para absorber el carbono en exceso. Homo sapiens ha incrementado las concentraciones de carbono en la atmósfera terrestre y, con ello, modificado el delicado equilibrio térmico que se había mantenido durante los últimos diez mil años, con lo que dispara un cambio climático antropogénico, no geológico, que ya ha incrementado en casi un centígrado la temperatura promedio superficial global respecto de la preindustrial. Este incremento de temperatura ha iniciado un ascenso del nivel del mar, que se estima será de al menos alrededor de 80 centímetros hacia fines de siglo, y ha intensificado los fenómenos meteorológicos (como ondas de calor, tornados o vientos en ráfaga), particularmente los hidro-meteorológicos extremos (como ciclones, huracanes, sequías, o lluvias torrenciales).

¿Cuánto más CO₂ podemos emitir sin rebasar los +2ºC?

Las emisiones acumuladas de dióxido de carbono no deberían superar la horquilla de entre 870 y 1240 gigatoneladas entre 2011 y 2050 si queremos concedernos una oportunidad razonable de limitar el calentamiento global a 2 grados Celsius por encima de los valores preindustriales. Sin embargo, se estima que el carbono contenido en las reservas de combustibles fósiles del planeta equivale a unas 11.000 gigatoneladas de CO₂. Por tanto, una política climática ambiciosa supondría dejar de explotar un gran volumen de las reservas del planeta.

Tras modelizar un amplio abanico de situaciones basadas en la adopción de las políticas climáticas de menor coste, Christophe McGlade y Paul Ekins, de la Escuela Universitaria de Londres, han cuantificado la distribución regional de las reservas de combustibles fósiles que no deberían quemarse entre 2010 y 2050. Los resultados fueron publicados a principios de año en la revista Nature.

Algunas investigaciones previas ya habían analizado las repercusiones globales a largo plazo que tendría la mitigación del cambio climático en los mercados de combustibles fósiles. La novedad del estudio de McGlade y Ekins reside en que su modelo utiliza una detallada representación regional de las reservas basada en fuentes de datos sólidas.