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Cuadernos del Foro de Pensamiento Actual • Nº 1
José María Martínez-Val
José Manuel Perlado
Mireia Piera
rincipios ísicos
del
esarrollo nergético
ostenible
Fundación Iberdrola
•
2003
•
José María Martínez-Val
Catedrático de Termotecnia, ETSII - UPM
José Manuel Perlado
Catedrático de Física Nuclear, ETSII - UPM
Mireia Piera
Prof. Titular de Tecnología Nuclear, ETSII - UNED
Índice
Prólogo
Introducción
y Planteamiento
La Energía en la Tierra
•9
Capítulo 1 • 13
Capítulo 11 • 19
Fuerzas y Fuentes
de Energía
Capítulo 111 • 27
La Estructura del
Sector Energético
Capítulo 1v • 61
Las Limitaciones al
Consumo Energético
Capítulo v • 77
Resumen y Conclusiones
Capítulo v1 • 107
Apéndice
• 115
Bibliografía
• 119
Webgrafía
• 125
Principios Físicos del Desarrollo Energético Sostenible
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Prólogo
uestra civilización se caracteriza por ofrecer unas posibilidades
sin precedentes de cara a propiciar el bienestar individual y el bien común,
en ámbitos tan importantes como la educación, la atención sanitaria, la
vivienda, el transporte, las comunicaciones, y un largo etcétera de campos
entre los que destaca la energía, soporte de muchas actividades industriales,
comerciales e incluso personales, particularmente en el caso de la energía
eléctrica, absolutamente ubicua en nuestra sociedad.
A su vez nuestra civilización presenta una complejidad enorme en temas
que abarcan desde cuestiones de actualidad inmediata, a otros de muy largo
plazo en su proyección real, aunque aparezcan ya como preocupaciones
nuestras de cara a la mejor construcción del futuro. Un tema de esta índole
es el Desarrollo Sostenible, ejemplo emblemático de la responsabilidad
con la que debemos abordar nuestro quehacer productivo.
Dentro de este amplio contexto de temáticas y problemáticas se enmarca la iniciativa de la Fundación Iberdrola de mantener un Foro de Pensamiento Actual, para análisis y discusión de cuestiones que sea pertinente
plantear, buscando fundamentalmente la aportación de datos y conclusiones útiles a la sociedad, coadyuvando a guiar los trabajos para resolver la
problemática planteada, o al menos a mejorar el conocimiento y planteamiento de la misma, como primer paso a su resolución, entendiendo que
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muchos de estos temas serán de muy larguísimo recorrido, verdaderamente
transgeneracional.
A varias generaciones antes hemos de remontarnos para llegar a la primera Revolución Industrial, que fue esencialmente una revolución energética, con la fuerza del vapor como elemento agente, y la combustión del
carbón como fuente de esa acción.
Otras revoluciones energéticas producirían posteriormente aún mayores
efectos socioeconómicos y personales, con impactos esenciales en nuestro
modus vivendi y en la morfología de nuestra civilización: tales son los casos
de la automoción, posibilitada por la revolución petrolífera iniciada a finales del siglo XIX, y la electricidad, también iniciada en esas fechas, siendo
ambas dos -automóviles y electricidad- factores claves del siglo XX, como
lo serán del XXI.
Desde 1900 al año 2000, la producción de energía eléctrica en España
se multiplicó por 1000. Obviamente se trató de un despegue desde cotas
iniciales muy bajas, pero no deja de ser reseñable que la multiplicación por
10, en cada caso, se produjo en intervalos de entre 30 y 35 años. Y nunca
creció anualmente la producción de electricidad, en valor absoluto, tanto
como en el último año del siglo, hasta esa fecha.
El reto de satisfacer la demanda creciente de energía, en las formas y
condiciones que nuestra sociedad requiere, es uno de los retos más singulares a los que se enfrenta la humanidad, por la propia importancia de la disponibilidad energética, y por las limitaciones habidas en reservas, recursos,
y la también limitada capacidad ambiental de asimilación de los efectos
varios que el consumo de energía produce.
La estructura actual del sector energético, tanto mundial como nacional, es bien conocida y obedece a unas condiciones de mercados y tecnología que se han asentado durante estos últimos decenios.
Esta estructura se irá acoplando paulatinamente a las demandas sociales
y a las posibilidades tecnológicas y de fuentes de energía. A más largo plazo,
los cambios estructurales del sector energético tendrán que ser mucho más
hondos, y en ellos hay que comenzar a trabajar ya. La tecnología de esos
cambios no va a aparecer por sí sola.
Pero antes de que el desarrollo tecnológico pueda fructificar, es imprescindible que vayan asentándose rigurosamente las bases científicas sobre las
que cimentar ese desarrollo. Al estudio de estas bases se dirige esta mono-
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Martínez-Val · Perlado · Piera
Prólogo
grafía, que inicia las aportaciones auspiciadas por la Fundación Iberdrola
en esta línea editorial, para una mejor y más fundamentada construcción
del futuro.
Fundación Iberdrola
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Introducción y Planteamiento
odría considerarse el universo como un inabarcable sistema térmico en continua expansión a partir de la enorme concentración energética
que hubo en el Big Bang hace unos 14.000 millones de años, del que además procedió la materia que dió pié a la evolución galáctica y estelar y a la
formación planetaria.
En otro extremo en cuanto a dimensiones, y manteniendo nuestra atención en los sistemas térmicos, podría considerarse el cuerpo humano como
una máquina térmica de características muy peculiares, sujeta incluso a un
estricto control de temperatura, pues tanto la hipotermia como la fiebre
son manifestaciones de estados indeseables.
Las aseveraciones anteriores son sin duda simplistas, y tan sólo pretenden ilustrar que la energía y los intercambios energéticos son consustanciales en el devenir de nuestro mundo físico, y en el de nuestra propia vida. De
hecho, ésta se basa metabólicamente en la capacidad de ciertos organismos,
los llamados autótrofos, de producir moléculas biológicamente relevantes
a partir de sustancias inertes, como CO2 y H2O, aunque intervengan además otros nutrientes decisivos, desde el nitrógeno al fósforo. Mediante la
adecuada absorción de fotones de la luz solar, estos organismos reducen los
estados de oxidación del carbono y el hidrógeno, y se reordenan los enlaces
produciendo hidratos de carbono, del tipo CnH2nOn, amén de otro conjunto complejo de sustancias. La biología es inmensamente más rica que lo
aquí expuesto de manera tan sumaria, pero con este ejemplo fundamental,
que tiene nivel de categoría en el contexto biológico, ponemos de relevancia que la luz solar es quién mantiene la vida en la Tierra (incluyendo, por
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supuesto, el mar). En ausencia de la radiación electromagnética procedente
del sol, la Tierra estaría muerta.
Cuando el sol, en un plazo de mil millones de años en números redondos, comience a experimentar cambios sustanciales en las reacciones nucleares que ocurren en su seno, cambios también hondos se darán en la luz
que emite, que irá decreciendo en intensidad y temperatura, por lo que la
vida en nuestro planeta, al menos tal como la conocemos, será inviable. Y
del todo lo será cuando el sol se extinga como estrella activa, al cabo de
unos 4.500 millones de años desde ahora, unos 9.000 millones de años
desde que se formó, a partir de uno de tantos cataclismos estelares de los
muchos acaecidos en nuestro universo. El sol se encuentra hacia el punto
medio de lo que será su evolución vital, basada en reacciones nucleares de
fusión. Reacciones que se irán extinguiendo cuando lo hagan sus reactivos
básicos: los protones. Mucho antes de su final previsto, la actividad del sol
irá decreciendo, y en unos 1000 millones de años su potencia radiante se
habrá debilitado tanto que la vida en la Tierra será difícilmente sostenible.
Los plazos antedichos nos parecen inconmensurables, y en escala humana se configuran como un horizonte asintótico que tanto más se alejará
cuanto más nos acerquemos a él. No será así, y la vida del sistema solar tocará a su fín por progresivo agotamiento del combustible nuclear de sol (los
protones), al margen de que otros posibles desastres, desde choques galácticos hasta aparición de supernovas, puedan variar el curso de esa existencia
tan dilatada. Y tan dilatada en verdad se presenta ante la escala humana,
que ésta es una de las causas que da pié a plantear el tema de la sostenibilidad de la vida humana sobre la Tierra, y de su civilización, hasta un plazo
indefinidamente largo.
Otras causas de este planteamiento son de tipo malthusiano, siguiendo
la predicción -claramente incumplida- del economista Robert Malthus
acerca de que el aumento de población sería inmantenible por la imposibilidad de existir recursos naturales, y particularmente alimentos, para todos.
Desde sus predicciones a mediados del siglo XIX, la evolución socioeconómica fue en todo contraria a sus teorías, pues los avances científicos y tecnológicos produjeron tal aumento de productividad en la agricultura que
no sólo no ha habido, globalmente hablando, problemas de alimentación,
sino sobreabundancia de productos, al tiempo que se daba una espectacular
caída en el porcentaje de la población dedicada a las faenas agropecuarias,
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lo cual liberó la capacidad productiva para otras actividades y aumentó
el tiempo personalmente disponible, bien para fines culturales, bien para
atención a familiares y congéneres, bien para simple ocio.
Ello no es óbice para que muchos teóricos neomalthusianos sigan subrayando algo obvio: vivimos en un planeta finito y, por ejemplo, las reservas
totales de petróleo serán finitas, aunque todavía desconozcamos su valor
exacto. Dicha finitud tendría que ser un acicate para buscar otras fuentes
energéticas alternativas (lo cual, por cierto, ya se hace, aunque no por ello
se vaya a prescindir del uso del petróleo en el plazo generacional previsible).
Pero no son propiamente estas teorías malthusianas las directamente
causantes del concepto de desarrollo económico sostenible, aunque sí hayan contribuido en cierto porcentaje a la paternidad de esta idea, junto a
preocupaciones sociopolíticas y ambientales más inmediatas. Como concepto debidamente estructurado, el Desarrollo Sostenible fue el eje principal del Informe Brundlant, de la Unión Europea (1987). En él se ponía
de manifiesto que diversos efectos derivados de nuestro modus vivendi y
nuestro progreso actual pudieran ser contraproducentes para generaciones
venideras, que podrían encontrar un hábitat natural no totalmente adecuado. Ello ha motivado controversias muy agudas, algunas de tipo científico,
pero las más de carácter primario y sociopolítico, incluyendo las ambientalistas. No es objeto de esta monografía analizar estas disputas de tipo
sociopolítico ni entrar en sus razones, sino abordar el análisis de un desarrollo energético sostenible, considerando en ello desde la disponibilidad
natural de energía a los efectos de todo tipo que puedan derivarse de las
aplicaciones energéticas, y de modo muy particular los que afecten a nuestro hábitat y sus características. Para ello partiremos de dos definiciones no
exactamente convencionales, pues sobre este particular hay muchas discrepancias de formulación. Entendemos por Desarrollo el complejo conjunto
de actividades que facilitan el acceso al bienestar material, cultural, moral,
social y ambiental de los seres humanos. Y por Desarrollo Sostenible, aquel
que no transgrede las limitaciones físico-químicas del planeta ni compromete el desarrollo de otras poblaciones o generaciones futuras.
Como toda definición sobre tema de gran alcance, está lastrada de subjetividad, pero contiene un elemento fundamental para nuestro análisis: la
no transgresión de los límites fisico-químicos de la Tierra, pues su vulneraPrincipios Físicos del Desarrollo Energético Sostenible
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Sinopsis de la evolución del sol y de la
atmósfera terrestre.
Procedemos de la explosión de una enorme supernova, de la
que afloraron el sol y
los planetas. La estabilización del sol como
reactor de fusión nuclear por confinamiento gravitatorio fue
relativamente rápida.
Mayor será su velocidad de expansión dentro de unos mil millones de años. Dentro
de unos cuatro mil
millones, no le quedará combustible de
fusión suficiente, y se
extinguirá, reduciéndose entonces su radio
enormemente, hasta
convertirse en una estrella enana e inerte.
En cuanto a la Tierra,
sus condiciones de
temperatura, meteorología, atmósfera, magnetismo y nivel de radiaciones, ha variado
enormemente a lo largo de su existencia. Vivimos en una época en
la que se ha llegado a
una estabilización muy
duradera. Ello nos lleva a la percepción de
un planeta que ni sufre cambios ni los admite. Debemos preservar nuestro hábitat,
pero las mayores amenazas provienen del
espacio exterior (meteoritos) y de la dinámica solar-terrestre,
que podría instaurar
una nueva glaciación.
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ción podría comportar consecuencias deplorables para nuestro
hábitat y, más aún, el de futuras generaciones.
Cabría cuestionar aquí la equidad de que unas pocas generaciones a lo largo de la historia, las de los siglos XX y XXI
principalmente, vayan a beneficiarse de la parte sustancial de
los hidrocarburos que se originaron en la Tierra a lo largo de
sus épocas geológicas, a partir de la energía solar incorporada a
moléculas biológicas, fundamentalmente hidratos de carbono,
evolucionados a lo largo del tiempo geológico eliminando la
parte oxidada de sus moléculas. Más aún, dentro de esas generaciones de los siglos XX y XXI, unas poblaciones o países habrán efectuado un consumo mucho mayor que otros, lo cual
puede llevar precipitadamente a la conclusión de que verdaderamente no es posible un Desarrollo Sostenible homogéneo
Evolución de la
población y de la energía antropogénica. La
producción artificial de
energía se disparó a
partir de la Revolución
Industrial, y posteriormente con revoluciones tecnológicas tales
como el ferrocarril, la
electricidad, la automoción, la aeronáutica...
y global, en sentido estricto, en tanto que el consumo de los
hidrocarburos por determinadas personas en el espacio y en el
tiempo, impide que otras personas puedan beneficiarse de su
consumo, habida cuenta de que tales sustancias no se pueden
reponer.
Esa es sin embargo una visión muy simplista, pues los avances científico-técnicos y la disponibilidad de nuevas fuentes de
energía en el futuro, permitirán fabricar combustibles sintéticos (por ejemplo, hidrógeno, a partir de agua) y ello suplirá
con creces la carencia de combustibles fósiles.
De esto podemos deducir que la primera respuesta al Desarrollo Sostenible, en materia de Energía, se debe dar mediante
investigación científica y tecnológica. En gran medida, el desarrollo socioeconómico sin precedentes del siglo XX se debe a
los avances científico-técnicos del siglo XIX. En éste, por citar
ejemplos señeros, se inventó el motor de explosión, se patentó
el automóvil, se descubrieron las inmensas posibilidades de los
componentes del petróleo a partir de su destilación fraccionada, y se inventaron la dinamo, el motor eléctrico, el alternador,
el transformador y la bombilla de incandescencia. Mirado así,
somos unos herederos privilegiados de los científicos e ingePrincipios Físicos del Desarrollo Energético Sostenible
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nieros del siglo XIX, aunque las explotaciones mineras en dicho siglo, las
emisiones de la combustión de carbón, los primeros derrames accidentales
de petróleo a mares y ríos, y la deforestación creciente, fueran un legado
de connotaciones negativas. En el balance, ganan claramente los resultados
positivos de la herencia, que incluso nos han permitido contrarrestar los
mencionados efectos negativos.
El siglo XX deja al XXI y sucesivos una merma considerable en las reservas de carbón, petróleo y gas, y una carga de agresiones ambientales muy
apreciable en algunos casos; pero deja también avances extraordinarios en
medicina y cirugía, en bioingeniería y en farmacopea, en electrónica y en
informática, en radiocomunicación y automatización, en aeronáutica y en
energía nuclear, y en tantos otros campos. Al considerar los pros y contras
de la herencia, el balance se nos antoja de nuevo esencialmente positivo.
Con seguridad el siglo XXI será continuador en esta tradición, profundizando en la investigación de la materia, desde lo más pequeño o microcósmico a la astronáutica y la astrobiología, y avanzando en temas tales como la fusión nuclear, las energías renovables o el despliegue del hidrógeno
como vector energético, por hablar sólo de lo energético. De modo que
cuando enfoquemos las condiciones a cumplir por el Desarrollo Energético para que sea sostenible, nuestro énfasis fundamental se centrará en dos
objetivos: evaluar la potencialidad intrínseca de las fuentes de energía, que
la ciencia y la tecnología tendrán que ser capaces de desarrollar, y atender a
la no transgresión de las limitaciones del planeta.
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