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

700 GtC

7 GtC/año

CO2

pcs

3MtC/añoCombustibles fósiles

30 GtC/año

El ciclo del carbono

7 GtC/año

http://www.esrl.noaa.gov/gmd/ccgg/trends/

+ 0.5%/año

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

http://www.newzeal.com/theme/bases/Russia/Vostok.htm

Incremento de fenómenos meteorológicos extremos

Evolución de la superficie de los glaciares del pirineo

Glaciar Monte Perdido 1910 - actualidad

año 2007año 2007

Aumento del nivel oceánico

� 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

Diversificación energética

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

Norilsk

Russia's most thorough and abominable ecologic catastrophe, beyond the Polar circle

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

� www.solar-flight.com/sunseekerII

Projects for greener and more competitive air transport (FP7)

Gracias por vuestra atención

… y colaboración

justo

viable vivible desarrollo sustentable

economía

sociedad

medio ambiente