Energía, medio ambientey sociedad
¿la próxima gran crisis global ?
Prof. Dr. Fernando Prof. Dr. Fernando Gutiérrez Martín Gutiérrez Martín
Universidad Politécnica de Madrid, EUITI
X Ciclo de Conferencias EUITAX Ciclo de Conferencias EUITA--ETSIAETSIA--EIAEEIAE
Viernes, 25 de noviembre de 2011
Sol
Tm: 16ºC (ir)
C02 CH4 H20 C02 H20ventanadel IR
5 10 15 20 25 λ(µm
Tphotosphere: 6000K
vis irCO2
Tierra
0,5 1 2 λ(µm)
Balance radiativo
� Líderes del mundo de los negocios, economistas y expertos piden ahora medidaspara detener la catástrofe ambiental; el presidente Bush acaba por reconocer losserios desafíos del cambio climático (Foro económico mundial, 2007)�� 11ªª propuestapropuesta: carbón `limpio´ y energía nuclear como únicas alternativas viables al
petróleo, dado que ambas energías presentarían ventajas comparativas (CN)
�� 22ªª propuestapropuesta: los mercados son más eficaces para lograr que las empresas optenpor energías verdes (reducir la polución con costes eficientes y de modo flexible)
�� 33ªª propuestapropuesta: un impuesto global sobre el carbono para reparar el mayor fracasodel mercado nunca conocido (la destrucción del medio ambiente), y reducir el 30%las emisiones globales para 2050 (con más efectos positivos que los negativos)
Role play
EresEres elel presidentepresidente dede laslas NacionesNaciones EuropeasEuropeas.. TuTu objetivoobjetivo eses lucharlucharcontracontra elel cambiocambio climáticoclimático yy convencer aa otrosotros gobiernosgobiernos parapara quequehaganhagan lolo mismomismo.. ElEl futurofuturo estáestá enen tustus manosmanos..
ElEl jugadorjugador tienetiene variosvarios periodosperiodos parapara reducirreducir elel COCO22 alal nivelnivel requeridorequerido yymitigarmitigar elel calentamiento,calentamiento, aa lala vezvez queque mantenermantener elel desarrollodesarrollo económicoeconómicoparapara nono perderperder elel apoyoapoyo dede loslos votantesvotantes yy poderpoder llevarllevar aa cabocabo susu tareatarea..
InvertirInvertir enen I+DI+D yy técnicastécnicas sostenibles,sostenibles, sinsin olvidarolvidar laslas políticaspolíticas sociales,sociales,sese revelarevela comocomo elel caminocamino másmás eficaz,eficaz, peropero hayhay queque hacerhacer malabarismosmalabarismosparapara nono incrementarincrementar lala presiónpresión fiscalfiscal yy conservarconservar elel cargocargo..
http://www.bbc.co.uk/sn/hottopics/climatechange/climate_challenge/
El `protocolo de Kioto I´
� Objetivo : reducir emisiones GEI -5,2%/1990(1995) para 2008-2012
� Compromisos : realizar inventarios anuales y limitar las emisiones (c. políticas internas, mecanismos flexibles y sumideros de carbono)
Europa:Europa:Objetivo 20/20/20
(2020)
las empresas e industrias están cumpliendolos límites de emisiones que les han fijado,mientras que crecen las del transporte y elsector residencial; estos sectores difusos noestán incluidos en el mercado de emisiones.
Estrategias de respuesta
� Reducir el uso de la energía� Promover las energías alternativas� Adaptarse al cambio (agua, agricultura, etc.)
Gases de efecto invernadero:contribución del CO2 (>50%) CO2 de combustibles (>80%)
Emisiones por sectores (EU) Transporte
Edificios
Industria
Energia
35
18
25
22
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
CO2
Biomasa : primaria, residuos
� Ventajas:� restauración de suelos� combustión más limpia� diversificación energética� desarrollo de áreas rurales
CICLO de la FITOMASA – BIOFUEL – CO2
c
� Problemas:� diversión de tierras agrícolas� uso intensivo de fertilizantes� mayor requerimiento de agua
Fotosíntesis:CO2 + 4 H2O → HCHO + 3 H2O + O2
� 30 GtC/año (3·103·101717 kcalkcal)
� Alimentación humana:� total 2400 kcal/día� vegetal 1800 kcal� animal 600 kcal
� 7 kcal (vegetal)/ kcal (animal)
� población planetaria: 7000 millones� consumo global: 1,5·101,5·101616 kcal/añokcal/año
bio-refinería
Combustibles
COMBUSTION térmica (kg CO2 / GJ) POTENCIA eléctrica (kg CO2 / MWh) 100 1000 80 800 60 600 40 400
40 400 20 200 0 0 lignito carbón convencional antracita carbón nuevas fuel-oil GICC/CLFP gas-oil Gas CC gas natural Pilas comb.
RENDIMIENTO 30% 40% 50% 60%
Polipropileno PGMs Papel carbón Nafion membrana Carbones Aluminio Acero
1.25E-8
1.2E-81.15E-81.1E-8
1.05E-81E-8
9.5E-99E-9
8.5E-9
8E-97.5E-9
Pila de combustible
CML2001, Experts IKP (Southern Europe)
7E-96.5E-9
6E-9
5.5E-95E-9
4.5E-94E-9
3.5E-9
3E-92.5E-9
2E-9
1.5E-91E-9
5E-100
Norilsk
1 gramo de Pt ≈
0.3 ton mineral
El mayor productor de metales preciosos se ubica en esta ciudad siberiana, uno delos complejos más contaminantes del planeta (e.g. sus emisiones ácidas se acercanal total de Alemania), una capa permanente de contaminacióncubre todo el área,que esta vacía de árboles y más de 4000 km2 de bosques están afectados (región);finalmente, la esperanza de vida de sus habitantes varones es de apenas 49 años.
La ecuación maestra del desarrollo sostenible
factorial del CO2
� Emisión (tc,eq /año) =
Población × GDP(€/a)/capita × Energía(MJ)/€ × tco2/MJ
7·109 hab. 6,9·109 tCO242·1012 € 420·1012 MJ
� Crecimiento demográfico (población mundial)
� Niveles de consumo (6000 € /capita·año)• cambios de conducta y estilos de vida
� Intensidad energética (10 MJ/ €)
• eficiencia (producción y uso de la energía)
� Diversificación, mix energético (16,4 gC/MJ)• cambios tecnológicos radicales al nivel de la producción de servicios
energéticos, nuevas fuentes y vectores energéticos para producirlos
Mix energía % CO2 (g/MJ)
Carbón 26 95 Petróleo 32 74 Gas natural 20 59 Nuclear 5 - Renovables 17 -
Total 100 60
Más allá de la optimización de los procesos, productos y serviciosMás allá de la optimización de los procesos, productos y servicios
Las políticaspolíticas en el contexto de la `sostenibilidad´ son mucho más que la `ingeniería ambiental´
(que solo actúa en los niveles productivos con un gran aparato tecno-lógico)
+
Dominio social (demanda): - control de la demografía - austeridad (nivel vs calidad de vida) - servicios en lugar de productos
+
Dominio técnico (producción) - optimización de los procesos - nuevas tecnologías - diseño de productos
+ Tamaño de la población P
Niveles del consumo A
Eficiencia de
producción e Alternativas limpias i
ahorros innovación
�� poblaciónpoblación�� necesidades necesidades
humanashumanas�� factores factores
institucionalesinstitucionales�� patrones de patrones de
comportamientocomportamiento P: número de individuos (cap) Efecto total: I = P × A × T T= e × i A: producción (PIB/capita) e: intensidad material o energética (kg o kJ por unidad de valor económico, PIB) i : impactos específicos (suma de efectos ambientales / unidad de recursos utilizados)
dem anda productos (ecodiseño) producción ( integrac ión de procesos) procesos (tecnologías lím pias) em isiones
comportamientocomportamiento
� análisis crítico de las soluciones actuales � las necesidades subyacentes efectivas� el modo en que estas son satisfechas� los nuevos conceptos del ecodiseño (DfE),
los sistemas de servicio de producto (PSS), el desempeño alternativo de función (AFF), etc.
Necesidades Deseos
autoestima un coche lujoso
serenidad estimulantes
salud medicamentos
felicidad humana PNB
prosperidad permanente
crecimiento insostenible
En último término son precisas nuevas visiones de la historia y la política, capaces de mostrar los conflictos encerrados en el `desarrollo sostenible´
� Dinámicas de consumo� los costes externos y el
equilibrio de mercados� regulación vs incentivos� dimensiones y
conectividad medianas
i.e. cambiar las `reglas del juego´ …
Ecosistema global (finito)
Fuentes
R e c i c l o
Sumideros
Energía
solar
Subsistema económico
inputs
outputs
Sources
R e c y c l e
Sinks
Subsistema económico
inputs
outputs
el desarrollo social solo es sostenible ecológicamente dentro de los límites del medio, pero siempre para un standard de vida determinado
(i.e.i.e. son necesarios nuevos índices del bienestar ) Transumos t/capita
Años
paises desarrollados
promedio paises en desarrollo
La `economía ecológica´
Sostenibilidad: una propiedad `holística´
i.e. amalgama un conjunto muy amplio derequerimientos en conflicto …
pero carecemos de una `teoría ecologista´del estado democrático capaz de enfrentareste tipo de dilemas
La `economía ecológica´
� límites ambientales de escalaescala (sostenibilidad)�� distribucióndistribución equitativa (transferencia de rentas)�� asignaciónasignación efectiva de recursos (el mercado)
� People, Planet and Profits`sostenibilidad´ y `teoría de juegos´
(Políticas Max-Min)
Estados reales del mundo Matriz de pagos de resultados
Los optimistas aciertan
Los escépticos aciertan
Optimistas
Altos
Desastrosos Políticas tecnológicas
Escépticas
Moderados
Sostenibles
ElEl juegojuego ponepone dede manifiestomanifiesto elel perversoperverso mecanismomecanismo porporelel cualcual laslas decisionesdecisiones másmás provechosasprovechosas parapara elel planetaplaneta sonsonnegativasnegativas parapara elel `subsistema`subsistema económicoeconómico´́,, tal y como estáplanteado en la actualidad, yy porpor tantotanto resultanresultan impopularesimpopulares
Transporte aéreo
� Es con mucho elel modomodo menosmenos ecológicoecológico, aunque representa actualmente pocopoco másmás deldel 33%%de las emisiones de efecto invernadero� Pero la demanda de jetjet--fuelfuel (keroseno) crece exponencialmente por el incrementoincremento dede tráficotráfico aéreoaéreo;
y no hay por ahora ningún sustituto robusto para dicho combustible� Es cierto que laslas nuevasnuevas aeronavesaeronaves sonson másmás eficienteseficientes (en términos de energía por tonelaje y km),
debido a su tamaño, ocupación y mejora de las turbinas, peropero eses insuficienteinsuficiente enen términostérminos absolutosabsolutos(se espera que las emisiones se dupliquen para 2030).
� Los motores tipo jet de los grandes aviones emiten también NOx y partículas en niveles muy altos,además de contaminación sonora a baja altura.
WorldAirTraffic0-24h.wmv
3.5E-131.0E-13
2.4E-14 6.7E-14
2.2E-12
Road Waterw ay Railw ay-Fr Railw ay-Es Airplane
Environmental indexes (weighted)
� Dado que estos aumentos podrían arruinar hasta ¼ de la reducción prevista de GHGs (8%)la UE ha aprobado una directivadirectiva parapara incluirincluir laslas operacionesoperaciones aéreasaéreas con origen o destino enaeropuertos europeos dentrodentro dede loslos mecanismosmecanismos dede KyotoKyoto (ETS):
� La base del `sistema de comercio de emisiones´ consiste en establecer un techotecho parapara cadacadaactividadactividad queque puedepuede compensarsecompensarse vendiendovendiendo permisos oo comprandocomprando excesos para lograr lareducción al mínimo coste (cap & trade):
http://www.marm.es/
reducción al mínimo coste (cap & trade):
� Las líneas aéreas deben informar sus volúmenes de tráfico anuales en ton-kms transportados (TKT)y CO2 emitido (base 2004-06), de modo que los permisos son el 85% proporcional al TKT en 2010 yel resto para comercio de emisiones; ejemplo:
� TKT y emisiones g. 2006: 655·109 ton-km, 554.3 MtCO2
� TKT, % línea aérea 2010: 800·109 ton-km, 1%� Permiso libre 2012: 0,85·0,01·554,3 = 4,71 Mt4,71 MtCO2CO2
� Emisiones (2,15 Mtfuel): 6,77 Mt6,77 MtCO2CO2
� Coste (25 $/tCO2): 51,5 M$51,5 M$� los costes para el sector pueden alcanzar 200-500 MЄ/a
CC1212HH2323 + 17.75 OO22 → 12 COCO22 + 11.5 HH22OO
Voluntary CO2 compensations
Number of people flying:
Country you are flying from: Country you are flying to:
Your flight will cover 2060 Km
Customers can calculate their flights´ carbon dioxide emissions and neutralize them investing in projects for renewableenergy; the company in charge of administering payment transactions is CarbonNeutral Company.
Las dificultades en reducir los impactos han llevado a algunas compañíasa `calcular sus emisiones´ e invertir en `proyectos´ como lareforestación,para tratar de evitar las tasas sobre sus vuelos
City you are flying from City you are flying to
Airport you are flying from: Airport you are fliying to:
http://www.carbonneutral.com/cncalculators/flightcalculatorSAS.asp
Your flight will cover 2060 Km
and produce 0.3 tonnesof CO2
cost - € 4.14
The amount paid by passengers is invested in projects outside Europe, where CO2 reductions areless expensive; it is of no consecuence for the CO2 emissions where the reduction takes place.
1
Denmark
Spain
Direct FlightOne Way
Kobenhavn (Copenhagen)Madrid
Kastrup Barajas
Green landing in airports
� This consists in a continuous volplane approach till the airport, to useless motor power and reduce fuel and noise:
Otras actividades para limitar las emisiones deberían incluir la gestión del tráfico aéreo,la integración con los otros modos de transporte y la eliminación de obstáculos legalespara imponer los jet-fuels.
http://europa.eu.int/comm/environment/climat/aviation_en.htm
� The minimum fuel consumption of reactionaircrafts is at 1010--1212 kmkm and the optimal is tostop propulsion at a distance of 200200 toto 1212 kmkmfrom the airport, when it is 700700 mm highhigh.
� Landing time (slots) is increased only 22 minminand fuel savings reach 100100--160160 kgkg per plain.
� By using this strategy, CO2 emission couldbe reduced 600600 ktonkton by 2012 in Spain.
Life cycle chain of kerosene
Finalmente, deben buscarse sistemas de propulsión alternativos (con ACVs más favorables), tales como los biocombustibles, el hidrógeno y la electricidad:
Fuel MJ/kg Density 15 °C
MJ/L
Jet A 43.2 0.808 34.9
Liquid hydrogen 120 0.071 8.4
Liquid methane 50 0.424 21.2
Methanol 19.9 0.796 15.9
Bio diesel 38.9 0.87 33.9
Life cycle chain of kerosene
Life Cycle Assessment of Kerosene Used in Aviation
Environmental effects calculated on the basis of the impact tables of the life cycle of kerosene
DOI: http://dx.doi.org/10.1065/lca2004.12.191
Greenhouse gas emissions assessment of hydrogen and kerosene-fueled aircraft propulsion International Journal of Hydrogen Energy Volume 34, Issue 3, February 2009, Pages 1363-1369
Fuel MJ/kg Density 15 °C
MJ/L
Jet A 43.2 0.808 34.9
Liquid hydrogen 120 0.071 8.4
Liquid methane 50 0.424 21.2
Methanol 19.9 0.796 15.9
Bio diesel 38.9 0.87 33.9
CC1212HH2323 + 17.75 OO22 → 12 COCO22 + 11.5 HH22OO
Aircraft CO 2 CH4 N2O NOx SO2 CO
B737 2750 0.5 0.1 6.7 0.9 16
DC8 5890 5.8 0.2 14.8 1.9 65.2
Concorde 20290 10.7 0.6 35.2 6.4 385Concorde 20290 10.7 0.6 35.2 6.4 385
AttributeConventional
aircraft(Jet A)
Cryogenic aircraft
(LH2)
Fuel energy content 1 0.36
Relative differences between typical long-range conventionaland cryogenic aircraft
The potential of liquid hydrogen for the future ‘ca rbon-neutral’ air transport system
Transportation Research Part D: Transport and Envir onmentVolume 13, Issue 7, October 2008, Pages 428-435
Volume of fuel 1 11
Volume of fuel tanks 1 4.3
MTOW 1 0.85–1.05
Aerodynamic resistance
1 1.1
Pollutants CO, CO2, SOx, HC
1 0
H2O 1 2.6
NOx 1 0.05–0.25
Prospective influences of cryogenic aircraft on long-term global emissions of greenhouse gases
ENFICA-FC "Environmentally Friendly Inter City Aircraft powered by Fuel Cells"
� The main objective of the ENFICA-FC project is to develop and validatethe use of a fuel cell based power system for propulsion of mor e/allelectric aircrafts:
Hydrogen and fuel cell power technologies have now reached the point wherethey can exploited to initiate a new era of propulsion systems for light aircraft andsmall commuter aircraft . In addition, these technologies can also be developed forthe future replacement of on-board electrical systems in larger ‘more-electric’ or ‘all-electric’ aircraft.
The primary advantages of deploying these technologies are low noise andlow emissions – features which are particularly important for commuter airplanesthat usually takeoff and land from urban areas.that usually takeoff and land from urban areas.
Zephyr Unmanned Aerial Vehicle
the ultra-light aircraft is solar-electric powered, autonomous and is designed to fly at altitudes in excess of 50,000 feet, above normal commercial air-lanes and most weather; the combination of solar panels on the upper wing surface and rechargeable batteries allows Zephyr to be flown for durations of many weeks and even months