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Geoenseñanza ISSN: 1316-6077 geoense@ula.ve Universidad de los Andes Venezuela Posso, Fausto Energía y ambiente: Pasado, presente y futuro Parte uno: Sistema Energético Basado en Fuentes Fósiles Geoenseñanza, vol. 5, núm. 2, 2000, pp. 197-228 Universidad de los Andes San Cristobal, Venezuela Disponible en: http://www.redalyc.org/articulo.oa?id=36050204 Cómo citar el artículo Número completo Más información del artículo Página de la revista en redalyc.org Sistema de Información Científica Red de Revistas Científicas de América Latina, el Caribe, España y Portugal Proyecto académico sin fines de lucro, desarrollado bajo la iniciativa de acceso abierto http://www.redalyc.org/revista.oa?id=360 http://www.redalyc.org/articulo.oa?id=36050204 http://www.redalyc.org/comocitar.oa?id=36050204 http://www.redalyc.org/fasciculo.oa?id=360&numero=6104 http://www.redalyc.org/articulo.oa?id=36050204 http://www.redalyc.org/revista.oa?id=360 http://www.redalyc.org GEOENSZA. Vol.5-2000(2). p. 197-228. Energía y Ambiente: Pasado, Presente y Futuro. Parte Uno: Sistema Energético basado en Fuentes Fósiles. POSSO. 197 ENERGIA Y AMBIENTE: PASADO, PRESENTE Y FUTURO Parte Uno: Sistema Energético Basado en Fuentes Fósiles Fausto POSSO Universidad de Los Andes- Táchira Venezuela. RESUMEN El desarrollo de la sociedad humana se ha basado fundamentalmente en el aprovechamiento de las fuentes energéticas primarias disponibles en la naturaleza. Así, tanto el fuego y madera en épocas antiguas como el petróleo y gas en la actualidad se han usado para mejorar el nivel de vida de la población soportado en un impresionante progreso tecnológico e industrial. Sin embargo, tienen una baja eficiencia, son limitados y su uso intensivo e indiscriminado ha ocasionado graves daños al ambiente con consecuencias nefastas que ponen en peligro la vida en todas sus formas e incluso al planeta mismo. Así se ha llegado a una paradoja, buscando elevar la calidad de vida a niveles máximos se ha obtenido la degradación de la misma. Hoy día se están intentando acciones remedia les y buscando afanosamente nuevas opciones energéticas más respetuosas del medio ambiente y más eficientes, así las llamadas energías alternativas en general y la energía del hidrógeno en par- ticular se proyectan como los sistemas energéticos emergentes avizorando un futuro más digno y promisor para la especie humana. Hacer un recuento de la evolución de los sistemas energéticos, su efecto sobre el ambiente y las alternativas de cara al futuro es el propósito de esta serie de tres artículos. En este primero, se presenta el sistema energético basado en los combustibles fósiles, en espe- cial lo referente a su agotabilidad y efectos negativos sobre el ambiente y la relación consumo energético/desarrollo/calidad de vida, Finalmente, se discuten las acciones remediales y las expectativas a mediano plazo. GEOENSZA. Vol.5-2000(2). p. 197-228. Energía y Ambiente: Pasado, Presente y Futuro. Parte Uno: Sistema Energético basado en Fuentes Fósiles. POSSO. 198 Palabras Claves: sistemas energéticos, combustibles fósiles, contaminación ambiental ENERGY AND ENVIRONMENT: PAST, PRESENT AND FUTURE Part One: Energetic System Based on Fossil Sources ABSTRACT The development of the human society has been based fun- damentally on the use of the main available energy sources in na- ture. This way, burning wood and coal in the past and burning oil and gas at the present have been used to improve the level of the people’s life by supporting an impressive technological and industrial progress. However, they are low efficiency, limited and their intensive and in- discriminate use has caused serious damages to the atmosphere with disastrous consequences that put in danger all forms of life and even the same planet. progress has brought us to a paradox, trying to elevate the quality of life, a delicate balance has been broken caus- ing the environment degradation. Nowadays research about more efficient and friendlier energy options on the environment suggest actions to reduce or stop the negative impact of the conventional energy sources; alternative energy in general and the energy of the hydrogen in particular is projected as an emergent source of energy for a more promising future for the human species. A survey of the evolution of the energy systems, its effect on the atmosphere and the current options is the purpose of a series of three articles. In this first one, energy systems based on the fossil fuels are presented, issues such as depletion and negative effects on the atmosphere and the relationship among energy consumption / development / qual- ity of life are treated. Finally, remedial actions and medium term ex- pectations are discussed. Key word: energy systems, fossil fuel, environmental contamination GEOENSZA. Vol.5-2000(2). p. 197-228. Energía y Ambiente: Pasado, Presente y Futuro. Parte Uno: Sistema Energético basado en Fuentes Fósiles. POSSO. 199 INTRODUCCIÓN La evolución de los sistemas energéticos no es nueva, desde cuando el carbón sustituyó a la madera y luego cuando el petróleo se utilizó primero para alumbrado y después para alimentar la revolución del transporte; también cuando el gas ganó mercados debido a su limpieza y eficacia y cuando surgieron las energías alternativas, se ha dado una evolución permanente. Por otra parte, las relaciones Consumo Energético/Calidad de Vida y Consumo Energético/Ambiente son inherentes al desarrollo de todo sistema energético. Esta serie de tres artículos tienen como objetivo el describir cómo ha sido la evolución de éstos sistemas, cómo han afectado al ambiente y cómo han servido para elevar la calidad de vida de la población. También se estudiarán las alternativas energéticas en pleno desarrollo, más armónicas ambiental mente y sustentables y el vector energético u portador de energía que despunta como el más adecuado para mover el desarrollo mundial a largo plazo: el hidrógeno. En éste primer artículo, se presenta el sistema energético que ha imperado desde hace varios cientos de años y basado en fuentes fósiles. En cuanto a su contenido, comprende varias secciones que tratan aspectos independientes pero plenamente integrados. Así luego de esta introducción se considera la relación energía, calidad de vida y desarrollo. Posteriormente, se hace una somera descripción histórica de la evolución del sistema energético basado en combustibles fósiles, para luego analizar con más detalle sus características relevantes: a. evolución de la demanda y producción, proyecciones a futuro, b. Su previsible agotabilidad y c. Efectos negativos sobre el ambiente. Posteriormente se presentan las acciones y esfuerzos emprendidos con el fin de compensar y/o atenuar la degradación ambiental producto de su uso extensivo e indiscriminado. Finalmente se quiere decir que se busca divulgar y crear conciencia sobre un problema que nos compete a todos, como lo es GEOENSZA. Vol.5-2000(2). p. 197-228. Energía y Ambiente: Pasado, Presente y Futuro. Parte Uno: Sistema Energético basado en Fuentes Fósiles. POSSO. 200 la preservación de nuestro hábitat natural y la obligación de asegurar para futuras generaciones una vida digna y armoniosa. ENERGIA, CALIDAD DE VIDA Y DESARROLLO La energía está involucrada en todos los aspectos de nuestra vida; así cuando una persona habla de energía se está refiriendo a la gasolina para su automóvil, a la electricidad para iluminación y para acondicionamiento del aire ambiente. El sector industrial consume enormes cantidades de energía tanto para operación como para satisfacer las necesidades de calor, luz, refrigeración, transporte y otros servicios. De manera que las llamadas crisis de energía no son más que situaciones coyunturales en las que se potencia la dificultad de obtener energía en forma útil para la sociedad industrial izada y para elevar su nivel de vida (Hammond, 2000). Usualmente, ésta se refiere al nivel de comodidades materiales y confort de la sociedad (Cassedy&Grossman,2000). Así, cuando se eleva el nivel de vida, se requiere menos tiempo y esfuerzo para el la satisfacción de las necesidades domésticas básicas y de mantenimiento de la vivienda y para la preservación personal. También un alto nivel significa que la sociedad dispone de buenos servicios médicos, sanitarios, de transporte, protección y seguridad ciudadana. Se puede decir entonces que el nivel de vida de un país depende de la cantidad de energía disponible por persona; por ésta se entiende no sólo la energía bajo su control directo sino también la energía promedio por persona usada en las industrias para proveer materiales de confort, para transporte y otros servicios. Tal que mientras más energía por per- sona use un país, más alto será su nivel de vida. Un indicador importante de este concepto es la bien conocida y estudiada relación entre el PIB per cápita de un país y el consumo de energía asociado. Esta relación se muestra en la figura 1 para una total de 25 países. (Cassedy&Grossman, 2000). La línea punteada corresponde a una aproximación lineal de los datos reales. También se ha propuesto una aproximación no lineal (Bockris, 1999), GEOENSZA. Vol.5-2000(2). p. 197-228. Energía y Ambiente: Pasado, Presente y Futuro. Parte Uno: Sistema Energético basado en Fuentes Fósiles. POSSO. 201 la misma propone una curva en forma de S extendida, queriendo significar que tanto para los países con alto desarrollo como los con un mínimo desarrollo (es decir, los extremos de la curva) un incre- mento en el consumo de energía no produce un incremento apreciable en el PIB y, consecuentemente, en la calidad de vida. En todo caso resulta innegable la relación PIB/Consumo Energético. Sin embargo, la relación PIB/Consumo Energético como indicador del bienestar económico o del progreso de un país ha sido objeto de críticas fundamentadas, (Dal, 1989): primero, existen actividades domésticas que tienen un efecto apreciable sobre la demanda de energía que no son consideradas como creadoras de riqueza y por lo tanto no contempladas en el cálculo del PIS. Segundo, en la formulación del PIB no se toma en cuenta la distribución del ingreso (por lo general, desigual) o el impacto ambiental del desarrollo industrial. De manera que existe cada vez más la tendencia a considerar al PIB como un parámetro de medida de la actividad económica total y no como el indicador del genuino bienestar humano. A partir de la introducción del concepto del desarrollo sustentable en 1987 1 , se han propuesto medidas e indicadores alternativos del Figura 1 Relación PIB/Consumo de Energía (1) Este se define como “el desarrollo que satisface las necesidades del presente sin comprometer las del futuro” (WCED,1987) GEOENSZA. Vol.5-2000(2). p. 197-228. Energía y Ambiente: Pasado, Presente y Futuro. Parte Uno: Sistema Energético basado en Fuentes Fósiles. POSSO. 202 bienestar económico sustentable. Así, en EE.UU., se propone el llamado Genuino Indicador de Progreso (GPI, siglas en inglés), (Cobb, 1995), mientras que en Europa se desarrolla un Indicador de Bienestar Económico Sustentable (ISEW, siglas en inglés) aplicándose en varios países de la región.( Jackson, et.al. 1987) Ambos indicadores toman en cuenta alrededor de veinte elementos importantes para el bienestar humano que son ignorados en la definición convencional del PIB y que incluyen: gastos de defensa, costos sociales (incluyendo cambios en la distribución del ingreso y en el valor real del trabajo doméstico no remunerado) y la depreciación del “capital natural” (activos ambientales y fuentes naturales). Al aplicarse tanto a EE.UU. como en Gran Bretaña se obtiene que la calidad de vida aumenta a la par del PIB hasta la década del70 del siglo XX. En 1970 para Gran Sretaña y en 1976 para EE.UU el lSEW empieza a declinar, mientras que el PIB continúa con su aumento sostenido. La figura 2 muestra la situación para EE.UU. y la misma evidencia una brecha importante entre la noción de la actividad económica, tal como se mide por el PIB, y el auténtico bienestar humano y también indica que los costos actuales de expansión económica exceden los beneficios. Consecuentemente, se puede argumentar que el uso continuado del PIB como un indicador Figura 2 Indicadores de Desarrollo en E. E. U. U. GEOENSZA. Vol.5-2000(2). p. 197-228. Energía y Ambiente: Pasado, Presente y Futuro. Parte Uno: Sistema Energético basado en Fuentes Fósiles. POSSO. 203 económico dará una pintura incompleta del desarrollo humano, mientras que tanto ellSEW como el GPI son índices más representativos del mismo. Estos resultados manifiestan una paradoja: mientras más se consuma energía en forma indiscriminada buscando alcanzar niveles de calidad de vida cada vez más altos, más se degradará la misma. Este ha motivado la búsqueda incesante de alternativas energéticas que salven esta limitación y que se tratarán en artículos posteriores de esta serie. BREVE RELACION HISTORICA DE LOS SISTEMAS ENERGÉTICOS La evolución de la sociedad humana ha estado inextricablemente unida al descubrimiento y aprovechamiento de las fuentes de energia. Esta relación histórica ha sido suficientemente descrita, (Andrews, 1991; Suchanan, 1992) indicando que las distintas civilizaciones que se han dado en el transcurrir de los tiempos usualmente se han identificado por el estado de su desarrollo tecnológico; así han existido: “la era del hierro”, “la era del vapor” o “la era nuclear”, por nombrar las mas conocidas. El fuego, la fuente de energía más antigua, se usó por cientos de años (antes y después de la era cristiana) para calentamiento y cocimiento utilizando la madera como combustible 2, en unión de los molinos de agua y de viento como conversores de energía. La principal fuente de energía para la agricultura era la bioenergía (tracción a sangre). Posteriormente, en el siglo XVIII, el combustible fósil que maneja la primera revolución industrial es el carbón, e Inglaterra el corazón de esta revolución alimentada con las abundantes reservas de carbón existentes y con el nacimiento de un sistema de comercio de libre mercado sustentado en grandes innovaciones tecnológicas. Los llamados agentes del cambio, (2) Inclusive todavía se usa en zonas rurales de países con muy poco desarrollo (WEC, 2.001) . GEOENSZA. Vol.5-2000(2). p. 197-228. Energía y Ambiente: Pasado, Presente y Futuro. Parte Uno: Sistema Energético basado en Fuentes Fósiles. POSSO. 204 entre los que se pueden mencionar: Thomas Newcomen, James Watt y Charles Parsons propiciaron el avance formal de la ingeniería y de la industria de la energía en Inglaterra al desarrollar los convertidores de alta energía, tales como las máquinas a vapor y turbinas y luego las máquinas de combustión interna (Hammond, 2000). En 1870, la energía eléctrica soporta la segunda revolución industrial, en especial, en países Alemania y Estados Unidos. Así, grandes centrales y redes de transmisión de alto voltaje suministraron la electricidad para iluminación y provisión de energía a ciudades como Berlín y Chicago. Después de la primera guerra mundial, el petróleo y el gas natural empiezan a reemplazar al carbón como portador primario de energía por sus evidentes ventajas en cuanto al transporte y almacenamiento. En las siguientes cuatro décadas se completa la transición del carbón al petróleo (causadas por mejoras en la eficiencia del segundo y no por escasez del primero). Uno de los factores que influye determinantemente en este desplazamiento es el desarrollo de eficientes motores diesel, estimulados en gran parte por la evolución del tranvía público a automóviles particulares, induciendo además el desarrollo de la gasolina en respuesta al crecimiento de la demanda de éstos últimos. El uso del carbón se relega a la producción de potencia eléctrica y acero debido a su economía de gran escala. A este cambio le sigue el uso, tanto comercial como residencial, del gas natural distribuido por tuberías. Se puede decir entonces que en la misma forma en que el carbón fue la fuente energética queimpulsó la sociedad en los siglos pasados, han sido el petróleo y el gas natural los que han movido el motor del desarrollo en las sociedades industriales actuales. Entre 1932 y 1974 el consumo de combustibles fósiles creció en un 4.5 % anual, proveyendo las bases para un desarrollo sin precedentes de la tecnología y civilización (Scott, 1994) Y el establecimiento de una red de energía con una infraestructura nunca antes vista. Sin em- bargo, su uso indiscriminado ha conllevado a un deterioro ambiental local, regional y global que se estima llevará a niveles insoportables si no se toman correctivos oportunos. Evidencias palpables de la degradación del ecosistema mundial son: el calentamiento global, la GEOENSZA. Vol.5-2000(2). p. 197-228. Energía y Ambiente: Pasado, Presente y Futuro. Parte Uno: Sistema Energético basado en Fuentes Fósiles. POSSO. 205 disminución en la capa de ozono y la lluvia ácida. Así, la segunda mitad del siglo XX ve el resurgimiento por una parte y el nacimiento por otra de un conjunto de fuentes energéticas armónicas ambientalmente, renovables y/o inagotables, vale decir la energía solar en sus diferentes formas, la energía eólica, la marina, la geotérmica y la nuclear. En la actualidad existe una búsqueda incesante de técnicas y métodos basadas en éstas energías que sean factibles técnicamente, atractivas económicamente y que aseguren para nuestros descendientes una vida digna y respetuosa de su entorno. FUENTES PRIMARIAS DE ENERGIA Contrario a la creencia general, las fuentes primarias de energía son más bien pocas y de ellas se derivan vectores energéticos o portadores de energía en forma útil para su aprovechamiento, un ejemplo emblemático de estos vectores es la electricidad. Un diagrama resumido de tales fuentes lo veremos a continuación: Figura 3 En la actualidad, las fuentes fósiles prevalecen sobre las otras fuentes, tanto en consumo como en producción. En cuanto al primer aspecto, las figuras 4 y 5 muestran el consumo discriminado por fuente y regiones para el año 2.000, (BP, 2.001). Los porcentajes GEOENSZA. Vol.5-2000(2). p. 197-228. Energía y Ambiente: Pasado, Presente y Futuro. Parte Uno: Sistema Energético basado en Fuentes Fósiles. POSSO. 206 están referidos a un consumo mundial total de 8.573 millones de toneladas de petróleo equivalente, note que el 89 % corresponde a los combustibles fósiles. Figura 4 Consumo Mundial de Energía por Fuente En cuanto a la distribución regional, los países altamente industrializados son los principales consumidores, así el 85 % del consumo se concentra en Norteamérica, Europa y Asia oriental. También en la producción, (Figura 6) se patentiza la primacía de los combustibles fósiles al alcanzar el 85 % de la producción total mundial. Figura 5 Consumo Mundial de Energía por Región GEOENSZA. Vol.5-2000(2). p. 197-228. Energía y Ambiente: Pasado, Presente y Futuro. Parte Uno: Sistema Energético basado en Fuentes Fósiles. POSSO. 207 Figura 6 Produccíón Mundial de Energía por Fuente SISTEMA ENERGÉTICO BASADO EN FUENTES FOSILES En forma general, los combustibles fósiles son sustancias orgánicas producidas por la naturaleza mediante fenómenos físico! químicos transcurridos durante millones de años. Dependiendo de las condiciones de presión y temperatura del proceso y de las fuentes orgánicas se obtienen: un sólido el carbón; un líquido, el petróleo y un gas, el gas natural. Figura 7 Clasificación de los Combustibles Fósiles Su uso es múltiple: para transporte, para generación de calor y para generación de potencia eléctrica. En el caso del transporte, GEOENSZA. Vol.5-2000(2). p. 197-228. Energía y Ambiente: Pasado, Presente y Futuro. Parte Uno: Sistema Energético basado en Fuentes Fósiles. POSSO. 208 se usan productos derivados del petróleo (gasolina, diesel, gasolina para aviones, etc.). La generación de calor incluye calentamiento espacial, calentamiento de agua doméstica, cocimiento de alimentos, generación de vapor y calentamiento directo y/o secado en ciertos procesos industriales, usándose para estos propósitos las tres formas de combustibles fósiles. En la generación de potencia eléctrica, se usa principalmente carbón para la generación de carga normal y gas natural y petróleo para los picos de carga. Un esquema simplificado de su utilización actual se muestra en la figura 8. Figura 8 Usos Actuales de los Combustibles Fósiles - Característica Uno: Baja Eficiencia Con el fin de aprovechar la energía disponible en las fuentes fósiles se deben llevar a cabo una serie de conversiones, las más comunes son: 1. Conversión Uno: Energía Química ---------- Combustión -------- Energía Térmica Teóricamente la conversión puede ser hasta del 1 00 %, pero GEOENSZA. Vol.5-2000(2). p. 197-228. Energía y Ambiente: Pasado, Presente y Futuro. Parte Uno: Sistema Energético basado en Fuentes Fósiles. POSSO. 209 en la práctica la energía térmica utilizable está en el rango del 60- 80%. 2. Conversión Dos: Energía Térmica -------- Máquinas Térmicas ------ Dispositivos Mecánicos Este proceso tiene fuertes limitaciones termodinámicas, tal que su eficiencia (conocida como Eficiencia de Carnot) es, a lo sumo, del 45 %. Por esto, la energía térmica es considerada como una energía de baja calidad. 3. Conversión Tres: Energía Mecánica ---------- Generador --------- Energía Eléctrica Este proceso es muy eficiente, tal que la electricidad es considerada una energía de alta calidad. La eficiencia global de estos procesos de conversión es, en el mejor de los casos del 36 %. Tal que sólo 1/3 de la energía contenida en las fuentes fósiles es aprovechada; las pérdidas son, en su mayoría, por disipación de calor, contribuyendo al calentamiento ambiental. Característica Dos: Producción y Consumo Si bien los combustibles fósiles en su conjunto dominan el mercado energético mundial, la participación de cada uno de ellos no es por igual, tal como se indica en la figura 9 correspondiente a los niveles de producción de los últimos veinte años. En la actualidad, el petróleo ocupa el lugar de preferencia, tanto en la producción como en el consumo, este liderazgo se ha dado a expensas de una declinación de la fuente fósil sólida. En efecto, el carbón cada vez GEOENSZA. Vol.5-2000(2). p. 197-228. Energía y Ambiente: Pasado, Presente y Futuro. Parte Uno: Sistema Energético basado en Fuentes Fósiles. POSSO. 210 Figura 9 Evolución de la Producción Mundial de Combustibles Fósiles tiene una menor participación porcentual en el mercado, esto no es debido a una disminución en su disponibilidad, sino más bien por razones de eficiencia energética y por las fuertes restricciones ambientales impuestas (y por imponerse) en muchos países, en especial los altamente industrial izados. También el incremento en la producción de petróleo tiende a ser cada vez menor, si bien esto puede ser causada por debilidades ocasionales en la demanda, fundamentalmente se debe al agotamiento de los yacimientos más fácilmente explotables. A futuro se estima que el gas natural será el combustible fósil que mueva la economía facilitando así la transición Figura 10 Evolución de la Demanda Mundial de Combustibles Fósiles GEOENSZA. Vol.5-2000(2). p. 197-228. Energía y Ambiente: Pasado, Presente y Futuro. Parte Uno: Sistema Energético basado en Fuentes Fósiles. POSSO. 211 hacia combustibles más limpios obtenidos a partir de fuentes energéticas mas armónicas ambientalmente, (Heffner, 2002). En cuanto al consumo, la evolución en los últimos treinta y cinco años presenta un patrón similar al de producción, con el petróleo y gas natural creciendo a una velocidad similar y con el carbón manteniéndose dentro de una banda y con tendencia al decrecimiento en cuanto a su porcentaje de participación en el mercado. Figura 11 Totales Mundiales de Producción y Demanda La figura 11, muestra los totales de Producción y Demanda, indicando un aumento del 30 y 25 %, respectivamente en los últimos veinte años. Ya que la cantidad de combustibles fósiles es finita,su producción no puede crecer indefinidamente. En la medida que las reservas disminuyan, se requerirá más y más esfuerzo (en términos de energía, inversiones y esfuerzo humano) para exploración de nuevas fuentes y explotación de las existentes. Será inevitable que su producción caiga, La pregunta clave es: ¿cuándo se producirá este agotamiento? Se han hecho una gran cantidad de estudios basados en modelos de simulación y extrapolación de datos reales de producción, (vea por ejemplo: Barbir, 1992; Cassedy, 2001; Heffner, 2002). La figura 12 muestra uno de GEOENSZA. Vol.5-2000(2). p. 197-228. Energía y Ambiente: Pasado, Presente y Futuro. Parte Uno: Sistema Energético basado en Fuentes Fósiles. POSSO. 212 esos resultados (Barbir, 1992), la ordenada representa la fracción de participación en la producción, la característica más interesante es la sorprendente regularidad de la sustitución de una fuente por otra, con un ciclo de, aproximadamente, 100 años; de acuerdo a esto el gas natural ya estaría desplazando al petróleo alcanzando un máximo alrededor del año 2.050, y luego declinar para dar paso a otras fuentes de energía, como puede ser la nuclear y las alternativas, ésta últimas no reportadas en la gráfica. Figura 12 Evolución de las Fuentes Energéticas . Característica Tres: Agotabilidad Una pregunta repetida continuamente, no solo por los expertos sino también por el usuario común, es cuanto petróleo, gas o carbón hay disponible. Indiscutiblemente esta no es una pregunta fácil de responder, ya que los estimados son muy difíciles de hacer. De hecho, no existe un método que proporcione estimados precisos y GEOENSZA. Vol.5-2000(2). p. 197-228. Energía y Ambiente: Pasado, Presente y Futuro. Parte Uno: Sistema Energético basado en Fuentes Fósiles. POSSO. 213 Figura 13 Evolución de la producción mundial de petróleo predicciones ciertas de las cantidades de fuentes fósiles que estén disponibles para su uso como combustible en el futuro. Con el fin de estimar estas fuentes, investigadores geólogos han usado varias técnicas basadas en evidencia física y datos estadísticos. Un método, el método volumétrico, recorre la superficie de reconocimiento, (frecuentemente desde el aire) y mediante mapas trata de determinar las formaciones geológicas que sean, probablemente, ricas en recursos. Sin embargo, este procedimiento es un método altamente incierto y de aplicación restringida, (Cassedy, 2000). Un método alterno más ampliamente usado para la estimación de fuentes a gran escala es la curva logística, este método simplemente toma el patrón histórico del comportamiento de la extracción y lo extiende para ajustarlo a una curva clásica apropiada. Las estimaciones basadas en esta curva más frecuentemente usadas y aceptadas fueron propuestas por un eminente geólogo M. King Hubbert, (Hubbert, GEOENSZA. Vol.5-2000(2). p. 197-228. Energía y Ambiente: Pasado, Presente y Futuro. Parte Uno: Sistema Energético basado en Fuentes Fósiles. POSSO. 214 1973), en su desarrollo establece que la velocidad de producción de cualquier fuente agotable debe empezar en cero, luego un período de un incremento más o menos continuo alcanzando un máximo y entonces empezar a declinar hasta eventualmente llegar a cero nuevamente. El área bajo la curva en forma de campana, representa la última fuente disponible para explotación. Este principio provee un medio poderoso para estimar la escala de tiempo de un ciclo completo de producción de cualquier fuente agotable en cualquier región del mundo. Por ajuste de los datos históricos a esta curva simétrica, Hubbert es capaz de predecir la tendencia en la producción mundial de petróleo y que es altamente precisa, tal como se indica en la figura 13. También se puede aplicar para predecir el consumo mundial de combustibles fósiles en el mundo. Sin embargo, estos modelos no incluyen efectos económicos y ambientales del consumo de los combustibles fósiles, ni tampoco pueden aplicarse a la utilización de fuentes renovables. Matemáticamente, la curva logística corresponde a una de las soluciones a la ecuación de Lotka-Volterra generalizado y utilizado originalmente para describir la dinámica de competición y población ecológica (Marchetti, 1989). La idea que las fuentes primarias compiten por el mercado de la energía tal como las variedades de especies por las fuentes, proporciona una aproximación conceptual y una estructura matemática de la evolución del mercado de la energía. En todo caso, no hay que olvidar que cuando a estas estimaciones se le añaden las presiones económicas y sociales asociadas con los combustibles fósiles el resultado es bastante polémico. Los nuevos estimados se aceptan o refutan de acuerdo si soportan o contradicen los puntos de vista de un determinado grupo con intereses en el sector. Una apreciación optimista o pesimista del evaluador puede cambiar las predicciones, las cuales producen a su vez varias curvas de logísticas de velocidad de producción. Con esto se quiere decir que más allá de aspectos técnicos, existen GEOENSZA. Vol.5-2000(2). p. 197-228. Energía y Ambiente: Pasado, Presente y Futuro. Parte Uno: Sistema Energético basado en Fuentes Fósiles. POSSO. 215 factores económicos e incluso geopolíticos que hacen que tanto los niveles de reservas como de precios estén sujetos a una alta incertidumbre y volatilidad, en especial los segundos. También una evidencia de la agotabilidad de los combustibles fósiles se presenta en la figura 14 que muestra la relación Reservasl Producción para el año 2.000 (BP, 2001). En el caso del petróleo corresponden a reservas probadas y para el gas, fuentes convencionales. Las grandes reservas de carbón pueden eventualmente ser utilizadas para producir combustibles líquidos sintéticos permitiendo a la sociedad continuar empleando los com- bustibles fósiles, pero también continuar deteriorando al medio con una intensidad mayor y con consecuencias finales impredecibles Figura 14 Relación Reservas/Producción . Característica Cuatro: Efectos sobre el Medio Ambiente 1. En cuanto al alcance geográfico Las tecnologías de extracción, transporte, procesamiento y especialmente su uso final (casi siempre su combustión), tienen un gran impacto sobre el ambiente y que a su vez tiene efectos negativos directos e indirectos sobre la economía. Este impacto puede GEOENSZA. Vol.5-2000(2). p. 197-228. Energía y Ambiente: Pasado, Presente y Futuro. Parte Uno: Sistema Energético basado en Fuentes Fósiles. POSSO. 216 clasificarse de acuerdo a su alcance, en local, regional y global. En cuanto al primero, se tiene que durante la extracción, transporte y almacenamiento de crudo y gas, pueden ocurrir derrames, pérdidas y emisiones a la atmósfera; si se trata del carbón, su explotación especialmente en minas a cielo abierto ocasiona devastación del terreno imposibilitando su uso por varios años y tal vez décadas, produciendo también deshechos en forma de polvo y material particulado, causando contaminación en agua y aire. En el caso del petróleo, los procesos de refinación también tienen un gran impacto ambiental. No obstante, el principal efecto negativo sobre el ambiente ocurre durante su uso final, es decir su combustión e independientemente del propósito final (esto es, calentamiento, producción de electricidad o potencia motriz para transporte). Si bien los principales constituyentes de los combustibles fósiles son carbón e hidrógeno, también tienen otros componentes que aunque están en pequeña proporción son grandes contribuyentes a la acción perjudicial sobre el medio ambiente. Estos pueden ser propios del combustible (por ej. sulfuros) o añadidos durante la refinación (ej. plomo, alcoholes). Cuando ocurre la combustión se producen gases (cq, sq, Nq, CH), cenizas, hollín y otros compuestos orgánicos que son lanzados a la atmósfera causando la polución del aire, definiéndose esta como la presencia de algunos gases y materias particuladas que no son constituyentes naturales de la atmósfera, o aún la presencia de sus constituyentesnaturales en concentraciones anormales. Esta contaminación causa daños a la salud humana y animal, a la vegetación, estructuras, reducción de la visibilidad, etc . Una vez en la atmósfera, estos contaminantes primarios, activados por la luz solar o mezclados con agua y otros componentes atmosféricos, pueden reaccionar químicamente transformándose en contaminantes secundarios, tales como ozono, aerosoles, nitratos, ácidos, etc. El efecto regional más importante es la llamada lluvia ácida, originada por la deposición en la atmósfera de óxidos de azufre y nitrógeno que se transforman en partículas de sulfato y nitrato. Estas partículas al combinarse con vapor de agua forman ácido GEOENSZA. Vol.5-2000(2). p. 197-228. Energía y Ambiente: Pasado, Presente y Futuro. Parte Uno: Sistema Energético basado en Fuentes Fósiles. POSSO. 217 sulfúrico y nítrico que se precipitan a la superficie terrestre mezclados con la lluvia; también pueden mencionarse rocío, niebla y nieve ácida. Además, el dióxido de carbón en equilibrio con el agua produce ácido carbónico, cuya deposición (seca o húmeda) causa acidificación del suelo yaguas resultando en daños a los ecosistemas acuáticos y terrestres, afectando nuevamente a los humanos, animales, vegetación y estructura. También, y ya en forma global, los productos remanentes de la combustión en la atmósfera, principalmente dióxidos de carbono, junto con los llamados gases de invernadero (metano, óxidos de nitrógeno y clorofluorocarbonos) ocasionan cambios térmicos por absorción excesiva de energía infrarroja radiada a la atmósfera y que por re-radiación causan que la temperatura global se incremente. Los efectos de este incremento se manifiesta en el derretimiento de las capas de hielo polares, elevación del nivel del mar y cambios climáticos, entre los más apreciables. El costo de estos efectos no están incluidos en el precio de mercado de los combustibles fósiles, pero que son y serán pagados por la sociedad ya que un ecosistema perturbado afectará la sociedad humana, su ambiente y su economía. 2. En cuanto a la clasificación de los efectos La acción nociva de la utilización indiscriminada de los com- bustibles fósiles tiene los siguientes efectos: . Efectos sobre los humanos Resulta bastante difícil medir los efectos de la polución del aire en la salud humana, ya que las consecuencias extremas de la exposición de las personas, tal como enfermedades e incluso muerte, ocurren solamente en una pequeña proporción, mientras que una gran cantidad de personas que pueden tener síntomas no tan severos o cambios psicológicos sólo son cuantificables por pruebas específicas. Además, pueden darse efectos diferentes en una misma persona en tiempos GEOENSZA. Vol.5-2000(2). p. 197-228. Energía y Ambiente: Pasado, Presente y Futuro. Parte Uno: Sistema Energético basado en Fuentes Fósiles. POSSO. 218 diferentes, ya que frecuentemente debe transcurrir un cierto tiempo para que un contaminante químico se acumule en el cuerpo en una magnitud tal que afecte severamente. Cada contaminante (CO, SOx’ NOx’ materia particulada) tiene efec- tos dañinos específicos en el organismo humano causando molestias, enfermedades y aún muerte prematura. Estos efec- tos pueden aún ser más significantes debido a los efectos sinergísticos entre ciertos contaminantes primarios y los con- taminantes secundarios que ellos generan- (ozono, lluvia áci- da, aerosoles). Efectos sobre los productos agrícolas, plantas, y árboles. La polución del aire y las precipitaciones ácidas pueden cau sar pérdidas significantes en las cosechas. Las plantas pue den ser afectadas tanto directamente, por exposición a óxidos de azufre, de nitrógeno y ozono, como indirectamente por acidificación de los suelos. Modelos de simulación indican que los niveles ambientales de ozono en las regiones agrícolas de EE.UU. son lo suficientemente altas para tener un impacto cuantificable en el rendimiento de las cosechas, estimándose en una reducción en las mismas entre un 5-10% (Bormann, 1995). En cuanto a la lluvia ácida, investigaciones en el área han establecido efectos directos no mensurables en el rendimiento de las cosechas cuando el nivel de pH esta entre 3.8-5.0; sin embargo existe un umbral (cerca de pH = 3.0) por debajo del cual la lluvia y nieve ácida pueden causar daños medibles en algunos sembradíos. El efecto de la polución en los árboles es también bastante apreciable, una revisión y análisis bastante completo de la declinación de la foresta en Europa la hace Nilsson, (Nilsson, 1997), los resultados muestran que un 15% de la vegetación total sufre daños visibles moderados, severos o graves. Daños en las forestas también se han reportado en EE.UU., Canadá y China (Jhonson, 1996). GEOENSZA. Vol.5-2000(2). p. 197-228. Energía y Ambiente: Pasado, Presente y Futuro. Parte Uno: Sistema Energético basado en Fuentes Fósiles. POSSO. 219 Efectos sobre los ecosistemas acuáticos La necesidad de transportar los combustibles fósiles o sus derivados desde los centros de producción hasta los centros de distribución y consumo, implican riesgos de derrames, fugas y pérdidas que pueden tener un impacto significante sobre las plantas y ecosistemas acuáticos. Uno de los desastres más importantes lo ocasionó el tanquero Exxon Valdez al derramar 240.000 barriles de petróleo en Alaska en 1989, (Marshall, 1989), el derrame abarcó una área estimada de 1.400 Km2. con una profundidad media de 1.8 mí. Miles de aves, mamíferos acuáticos y peces murieron y el ecosistema total sufrió daños que perduraron por lo menos dos décadas. Las pérdidas comerciales fueron de varios billones de dólares pero el daño ambiental total nunca podrá ser totalmente conocido. Otras fuentes de daño a los cuerpos de agua son los derrames de tanques de almacenamiento subterráneos y sistema de tuberías. En EE.UU. se estima que existen al menos un millón de tanques subterráneos y si solamente el 5% de ellos tienen derrames, lo cual es una estimado conservador, significa que cerca de 50.000 tanques, almacenando por encima de 10.000 galones, están causando daños apreciables. (EPA, 1997) La precipitación ácida debido a polución del aire puede causar acidificación de lagos y fuentes de agua al bajar el pH de su nivel natural. Algunos ecosistemas acuáticos son muy sensibles a los cambios en el nivel del pH y la acidificación resulta en una reducción y pérdida de la población piscícola, particularmente salmón y trucha, así como la flora acuática. Se ha reportado que la precipitación ácida ya causa una apreciable acidificación en muchos subsistemas acuáticos en EE.UU., Canadá, Noruega, Suiza y el Reino Unido, (Schindler, 1988). Una de las técnicas para inhibir los efectos acuáticos de la acidificación es añadir lima al agua. El costo anual de este proceso se estima en $600 millones en EE.UU. y Suiza, (Sheppard, 1996). GEOENSZA. Vol.5-2000(2). p. 197-228. Energía y Ambiente: Pasado, Presente y Futuro. Parte Uno: Sistema Energético basado en Fuentes Fósiles. POSSO. 220 Efectos sobre Edificios y Estructuras. Metales ferrosos, zinc, cobre, acabados y pinturas son, pro- bablemente, los materiales más degradados por la exposición a los contaminantes atmosféricos y lluvia ácida, (Graedel, 1996). Los óxidos de azufre actúan sinergísticamente con oxidantes y mezclas para formar ácido sulfúrico causando corrosión en metales, daño a las conexiones eléctricas y erosión en edificios por conversión del carbonato de calcio a sulfatos solubles. Mientras que la estimación de los costos de reparación y reemplazo de edificios comunes puede ser relativamente fácil, el costo del daño a edificios culturales es mucho más difícil de estimar. Los daños a esculturas y monumentos históricos disminuyen su importancia estética mucho más que su daño material, solamente restablecer la Catedral de Colonia en Alemania requiere de 2 millones de dólares anuales, (La Bastille, 1991) Y en todo el mundo existe un número apreciable de catedrales y otros edificios históricos, los antiguos monumentos romanosrequieren periódicamente demás de $200 millones para su restauración. La degradación también ocurre en sitios y edificios públicos, privados y hogares, sin embargo es bastante difícil estimar sus efectos sobre su tiempo de vida útil pero, indudablemente, resulta en altos costos de mantenimiento. Estos también pueden ser extremadamente altos para puentes u otras estructuras metálicas. Efectos sobre el suelo La minería del carbón en la superficie resulta en una perturbación extensiva de la superficie ten-estre. Esta situación puede causar serios problemas ambientales, a menos que la tierra devastada sea cuidadosamente reforestada. GEOENSZA. Vol.5-2000(2). p. 197-228. Energía y Ambiente: Pasado, Presente y Futuro. Parte Uno: Sistema Energético basado en Fuentes Fósiles. POSSO. 221 Efectos globales de los gases de invernadero. Cuando el CO2 y otros gases de invernadero se acumulan en la atmósfera, la temperatura de la superficie terrestre tiende a aumentar. Mediciones muestran que se ha incrementado entre 0.5 y 0.7 °C desde 1860 hasta 1990 (Jones, 1990). Las proyecciones basadas en modelos plantean diversos escenarios de acuerdo a las expectativas y se muestran en la figura 15 (WEC, 2000) Figura 15 Estimaciones del Incremento de Temperatura Note que, en el mejor de los casos, el incremento será de 1.6 cC. Este incremento puede tener consecuencias catastróficas, tales como el cambio climático y la elevación del nivel del mar. Las zonas climáticas y en consecuencia, los ecosistemas, pueden desplazarse si la temperatura continúa elevándose. Cada incre- mento de 1 °C puede desplazar la temperatura de la zona en cerca de 100 millas al norte y sur. También puede ocasionar cambios en morbilidad y mortalidad, especialmente en la gente anciana durante el verano, la mortalidad se incrementa cuando la temperatura excede un determinado límite. Además, el calentamiento global puede incrementar la frecuencia de sucesos temporales extremos, tales como, ondas de aire seco caliente, GEOENSZA. Vol.5-2000(2). p. 197-228. Energía y Ambiente: Pasado, Presente y Futuro. Parte Uno: Sistema Energético basado en Fuentes Fósiles. POSSO. 222 huracanes, tormentas, etc. También el calentamiento puede hacer menos vigorosas las corrientes oceánicas, más intensas las tormentas tropicales, alterar las corrientes de vientos y la circulación estacional en los trópicos. Puede cambiar la distribución de las precipitaciones tanto geográfica como estacionalmente. La figura 16 muestra la contribución regional al total de emisiones de CO2 para el año 2.000, claramente los países desarrollados son los principales contribuyentes aportando cerca del 75 % del total. Figura 16 Distribución Geográfica de las Emisiones de C02 3. Cuantificación de los Daños Ambientales Las dimensiones mundiales del daño causado por los com- bustibles fósiles, se muestra la siguiente tabla (Veziroglu, 1999). El 37% del daño total es causado por el carbón y el 20 % por el gas natural. Es claro que el incremento en el consumo del gas natural, a expensas del carbón y petróleo, debe ser beneficioso ambientalmente. Esto también puede ser una manera de preparar la aceptación pública de los combustibles gaseosos, lo cual puede resultar en un cambio suave y paulatino al hidrógeno, también un combustible gaseoso. GEOENSZA. Vol.5-2000(2). p. 197-228. Energía y Ambiente: Pasado, Presente y Futuro. Parte Uno: Sistema Energético basado en Fuentes Fósiles. POSSO. 223 Tabla 1 Indicador es del Daño Ambiental para 1998 El daño ambiental mundial anual causado por los combustibles fósiles en 1998 es de $ 4,345 billones e igual al11 % del PIS mundial, bajo cualquier consideración, ésta es una gran cantidad y que no está incluida en los precios de estos combustibles. ACCIONES REMEDIALES 1. Convenio Marco de las Naciones Unidas sobre el Cambio Climático. Este Convenio se aprobó durante la Cumbre de Río de Janeiro, en Junio de 1992, y tiene por objeto mitigar los problemas causados por el “efecto invernadero”. Se establecen los objetivos, estrategias y acciones concretas para frenar el potencial efecto invernadero y reducir sus posibles consecuencias. Los temas más controversiales fueron los relacionados fueron los relacionados con los posibles GEOENSZA. Vol.5-2000(2). p. 197-228. Energía y Ambiente: Pasado, Presente y Futuro. Parte Uno: Sistema Energético basado en Fuentes Fósiles. POSSO. 224 compromisos concretos en cuanto a la limitación-reducción de las emisiones de dióxido de carbono y otros gases de efecto invernadero. Después de extensas negociaciones se llegó a un acuerdo de compromiso de estabilización de las emisiones de ca en los países industrializados en el año 2.000 con respecto a las emisiones de 1990, aunque sin carácter vinculante. 2. El Protocolo de Kioto. El 10 de Diciembre de 1997, en la Cumbre de Kioto fue aprobado un Protocolo destinado a limitar las emisiones de seis gases de efecto invernadero en un 5 %, en los países industrializados, en el período 2008-2012, tomando como año de referencia 1990 para tres de ellos: dióxido de carbono, metano y óxido nitroso y pudiendo optar entre 1990 y 1995 para los otros tres: hidrofluorocarbonos, perfluorocarbonos y hexafluoruro de azufre. Todos los gases se referirán a su equivalente en CO , tomando en consideración su potencial de calentamiento de la atmósfera. 3. La Cumbre de Bonn Del 25 de Octubre al 5 de Noviembre se celebró en Sonn, la Quinta Conferencia de las Partes de la Convención Marco de Naciones Unidas sobre el Cambio Climático, estaba prevista como una reunión de transición para avanzar en la preparación de textos de negociación que debían ser aprobados en la Sexta Conferencia, en noviembre del 2000 en La Haya. Los aspectos más importantes, con avances significativos, de esta Cumbre son: 1. Adopción, casi unánime (con la única abstención de EE.UU.) de la fecha de 2002 (Río + 10) como fecha tope de ratificación masiva y entrada en vigor del Protocolo de Kioto. 2. Avances importantes en el texto de negociación para la contabilización de sumideros de carbono (masa forestal) que puedan servir de descuento de las emisiones brutas de cada país. 3. Presentación de un texto de negociación, con las posturas de todos los países implicados, sobre los tres mecanismos GEOENSZA. Vol.5-2000(2). p. 197-228. Energía y Ambiente: Pasado, Presente y Futuro. Parte Uno: Sistema Energético basado en Fuentes Fósiles. POSSO. 225 de flexibilidad del Protocolo. 4. Avances significativos en el texto de negociación del reglamento de sanciones por incumplimiento tanto de la Convención como del Protocolo. A pesar de todos estos esfuerzos pareciera que no existe una verdadera intención de reducir los gases de invernadero, tal como se muestra en la siguiente tabla, correspondiente a las emisiones en EE.UU. en el período 90/99, (EPA, 2000). La tendencia es claramente hacia su incremento, lo cual demuestra que mientras no exista una real voluntad política de resolver el problema ambiental, la firma de acuerdos en pro del resguardo ambiental no dejan de ser un mero ejercicio de diplomacia, en este sentido destaca la negativa de EE.UU. de refrendar el Acuerdo de Kyoto aduciendo posibles perjuicios a su economía. Tabla 2 Emisión de Gases Invernadero en E.E. U. U. Lapso 90-99 (Millones de Ton. Met. de Gas CONCLUSIONES Los servicios de energía gobiernan casi todas las actividades de la vida moderna: transporte, procesamiento industrial y de alimento, agricultura, calefacción, aire acondicionado, refrigeración, iluminación, comunicación, procesamiento de datos, recreación, etc. El consumo energético se ha asociado con el nivel de calidad de vida de un país. Así, parámetros de la actividad económica como el PIS, u otros más representativos y apropiados como ellSEW Y GPI, se utilizan como indicadores del desarrollo económico sustentable. El sistema energético basado en fuentes primarias agotables, vale decir los combustibles fósiles, han dominado y seguirán dominando el mercado energético mundial hasta bienentrado el siglo GEOENSZA. Vol.5-2000(2). p. 197-228. Energía y Ambiente: Pasado, Presente y Futuro. Parte Uno: Sistema Energético basado en Fuentes Fósiles. POSSO. 226 XXI. Sin embargo presenta ciertas características indeseables: muy baja eficiencia, agotabilidad en el mediano plazo y, quizás la más importante en cuanto a sus limitaciones, sus usos finales propician un grave deterioro ambiental en todos los ámbitos. Actualmente los esfuerzos se orientan a contrarrestar lo máximo este daño ambiental mediante el establecimiento de Acuerdos Mundiales de estricto cumplimiento tendientes a limitar el consumo de combustibles fósiles, también la ejecución de programas de 1&0 que logren mejorar la eficiencia del consumo energético y procesos de combustión menos contaminantes. Esta reducción también puede hacerse disminuyendo los servicios de energía pero manteniendo la calidad de vida, esto implica no sólo cambios tecnológicos sino también sociológicos y es una solución temporal. El desarrollo de nuevas fuentes energéticas parecen ser la solución permanente. Proyecciones basadas en modelos de simulación y datos históricos del comportamiento energético sugieren que un sistema energético basado en el gas natural será el modo de transición hacia sistemas basados en fuentes y vectores energéticos alternativos más amigables y eficientes y que soportarán el desarrollo sustentable de futuras generaciones avizorando así un futuro más digno y promi- sor. Cuáles son estas nuevas fuentes y cómo se están desarrollando es el objeto del próximo artículo de esta serie. REFERENCIAS BIBLlOHEMEROGRÁFICAS ANDREWS, M. (1991), The birlh ofEurope, London: BBC Books BARBlr, F. (1992) Analysis and modeling of environmental and economic impacts of the Solar Hydrogen Energy System, PH. D. Dissertation, Univer- sity of Miami. BOCKRIS, J., (1999) Hydrogen Economy in the future. Int. J. Hydrogen Energy, Vol. 24, N° 1, 1-15 GEOENSZA. Vol.5-2000(2). p. 197-228. Energía y Ambiente: Pasado, Presente y Futuro. Parte Uno: Sistema Energético basado en Fuentes Fósiles. 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