Monografía Efecto invernadero
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Héctor Rolando Méndez Rossal EFECTO INVERNAD ERO EPS: “CUANTIFICACIÓN DE LAS EMISIONES DE GASES DE EFECTO INVERNADERO Y DESARROLLO DEL PLAN DE MITIGACIÓN DE LA FACULTAD DE INGENIERÍA, USAC”
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Información general del tema de efecto invernadero
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Héctor Rolando Méndez Rossal
EFECTO INVERNADERO
EPS: “CUANTIFICACIÓN DE LAS EMISIONES DE GASES DE EFECTO INVERNADERO Y DESARROLLO DEL PLAN DE MITIGACIÓN DE LA FACULTAD DE INGENIERÍA, USAC”
EFECTO INVERNADERO
Se denomina efecto invernadero al fenómeno por el cual
determinados gases, que son componentes de la atmósfera terrestre, retienen
parte de la energía que la superficie planetaria emite por haber sido calentada por
la radiación estelar. Este fenómeno evita que la energía recibida constantemente
vuelva inmediatamente al espacio, produciendo a escala planetaria un efecto
similar al observado en un invernadero. En el sistema solar, los planetas que
presentan efecto invernadero son Venus, la Tierra y Marte.
El efecto invernadero es un fenómeno atmosférico natural que permite
mantener la temperatura del planeta, al retener parte de la energía proveniente del
Sol.
1.1.Funcionamiento del efecto invernadero
Etapa 1: El vapor de agua, el dióxido de carbono (CO2) y el gas metano forman
una capa natural en la atmósfera terrestre que retiene parte de la energía
proveniente del Sol. El uso de combustibles fósiles y la deforestación ha
provocado el aumento de las concentraciones de CO2 y metano, además de
otros gases, como el óxido nitroso, que aumentan el efecto invernadero.
Figura 2 Etapa 1 del efecto invernadero
Fuente: http://www.bbc.co.uk/spanish/especiales/clima/ghouse_1.shtml
Etapa 2: La superficie de la Tierra es calentada por el Sol. Pero ésta no
absorbe toda la energía sino que refleja parte de ella de vuelta hacia la
atmósfera.
Figura 3 Etapa 2 del efecto invernadero
Fuente: http://www.bbc.co.uk/spanish/especiales/clima/ghouse_1.shtml
Etapa 3: Alrededor del 70% de la energía solar que llega a la superficie de la
Tierra es devuelta al espacio. Pero parte de la radiación infrarroja es retenida
por los gases que producen el efecto invernadero y vuelve a la superficie
terrestre.
Figura 4 Etapa 3 del efecto invernadero
Fuente: http://www.bbc.co.uk/spanish/especiales/clima/ghouse_1.shtml
Etapa 4: Como resultado del efecto invernadero, la Tierra se mantiene lo
suficientemente caliente como para hacer posible la vida sobre el planeta. De
no existir el fenómeno, las fluctuaciones climáticas serían intolerables. Sin
embargo, una pequeña variación en el delicado balance de la temperatura
global puede causar graves estragos.
Figura 5 Etapa 4 del efecto invernadero
Fuente: http://www.bbc.co.uk/spanish/especiales/clima/ghouse_1.shtml
1.1.1. Balance energético de la Tierra
En la atmósfera el mantenimiento del equilibrio entre la recepción de la
radiación solar y la emisión de radiación infrarroja devuelve al espacio la misma
energía que recibe del Sol. Esta acción de equilibrio se llama balance energético
de la Tierra y permite mantener la temperatura en un estrecho margen que
posibilita la vida
En un período suficientemente largo el sistema climático debe estar en
equilibrio, la radiación solar entrante en la atmósfera está compensada por la
radiación saliente. Pues si la radiación entrante fuese mayor que la radiación
saliente se produciría un calentamiento y lo contrario produciría un
enfriamiento. Por tanto, en equilibrio, la cantidad de radiación solar entrante en la
atmósfera debe ser igual a la radiación solar reflejada saliente más la radiación
infrarroja térmica saliente. Toda alteración de este balance de radiación, ya sea
por causas naturales u originado por el hombre, es un forzamiento y supone un
cambio de clima y del tiempo asociado.
Los flujos de energía entrante y saliente interaccionan en el sistema climático
ocasionando muchos fenómenos tanto en la atmósfera, como en el océano o en la
tierra. Así la radiación entrante solar se puede dispersar en la atmósfera o ser
reflejada por las nubes. La superficie terrestre puede reflejar o absorber la energía
solar que le llega. La energía solar de onda corta se transforma en la Tierra en
calor. Esa energía no se disipa, se encuentra como calor sensible o calor latente,
se puede almacenar durante algún tiempo, transportarse en varias formas, dando
lugar a una gran variedad de tiempo y a fenómenos turbulentos en la atmósfera o
en el océano.
Finalmente vuelve a ser emitida a la atmósfera como energía radiante de
onda larga. Un proceso importante del balance de calor es el efecto albedo, por el
que algunos objetos reflejan más energía solar que otros. Los objetos de colores
claros, como las nubes o las superficies nevadas, reflejan más energía, mientras
que los objetos oscuros absorben más energía solar que la que reflejan. Otro
ejemplo de estos procesos es la energía solar que actúa en los océanos, la mayor
parte se consume en la evaporación del agua de mar, luego esta energía es
liberada en la atmósfera cuando el vapor de agua se condensa en lluvia.
Los diferentes gases y otros componentes de la atmósfera no absorben de
igual forma los distintos tipos de radiaciones. Algunos gases, como el oxígeno y el
nitrógeno son transparentes a casi todas las radiaciones, mientras que otros como
el vapor de agua, dióxido de carbono, metano y óxidos de nitrógeno son
transparentes a las radiaciones de corta longitud de onda (ultravioletas y visibles),
mientras que absorben las radiaciones largas (infrarrojas). Esta diferencia es
decisiva en la producción del efecto invernadero.
Figura 6 Balance energético de la Tierra
Fuente: http://es.wikipedia.org/wiki/Efecto_invernadero
1.1.2. Efecto invernadero natural
El tipo de radiación que emite un cuerpo depende de la temperatura a la que
se encuentre. Apoyándose en este hecho físico las observaciones desde satélites
de la radiación infrarroja emitida por el planeta indican que la temperatura de la
Tierra debería ser de unos -18ºC. A esta temperatura se emiten unos 240 W·m-2,
que es justo la cantidad que equilibra la radiación solar absorbida.
La realidad es que la temperatura media de la superficie de la Tierra es de
15ºC, a la que corresponde una emisión de 390 W·m-2. Los 150 W·m-2 de
diferencia entre este valor y los 240 W·m-2 realmente emitidos son los que son
atrapados por los gases con efecto invernadero y por las nubes. Esta energía es la
responsable de los 33ºC de diferencia.
La radiación de un cuerpo a elevadas temperaturas está formada por ondas
de frecuencias altas. Este es el caso de la radiación procedente del sol y en una
elevada proporción traspasa la atmósfera con facilidad. La energía remitida hacia
el exterior, desde la Tierra, al proceder de un cuerpo mucho más frío, está en
forma de ondas de frecuencias más bajas, y es absorbida en parte por los gases
con efecto invernadero.
Bajo un cielo claro, alrededor del 60 al 70% del efecto invernadero es
producido por el vapor de agua. Después de él son importantes, por este orden, el
dióxido de carbono, el metano, ozono y óxidos de nitrógeno. No se citan los gases
originados por la actividad humana que no afectan, lógicamente, al efecto
invernadero que hemos llamado natural.
El papel de las nubes (gotitas de agua suspendidas en la atmósfera) es
doble. Por una parte el efecto invernadero es mayor que en un cielo despejado,
pero, por otra parte, reflejan la luz que viene del sol. De media, para el conjunto de
la Tierra, se calcula que su acción de calentamiento por efecto del aumento
invernadero supone unos 30 W·m-2, mientras que su acción de enfriamiento por el
reflejo de parte de la radiación es del orden de 50 W·m-2, lo que supone un efecto
neto de enfriamiento de unos 20 W·m-2.
Figura 7 Radiación emitida por la Tierra
Fuente: http://www.tecnun.es/asignaturas/Ecologia/Hipertexto/10CAtm1/353BalEn.htm
1.1.3. Gases de efecto invernadero
La atmósfera de la Tierra está compuesta de muchos gases. Los más
abundantes son el nitrógeno y el oxígeno. El resto, menos de una centésima parte,
son gases llamados de invernadero. No los podemos ver ni oler, pero están allí.
En pequeñas concentraciones, los gases de invernadero son vitales para nuestra
supervivencia.
Aunque la atmósfera seca está compuesta prácticamente por nitrógeno
(78,1%), oxígeno (20,9%) y argón (0,93%) son gases muy minoritarios en su
composición como el dióxido de carbono (0,035%: 350 ppm), el ozono y otros los
que desarrollan la actividad radiactiva. Además, la atmósfera contiene vapor de
agua (1%: 10.000 ppm) que también es un gas radiactivamente activo, siendo con
diferencia el gas natural invernadero más importante. El dióxido de carbono ocupa
el segundo lugar en importancia.
Figura 8 Gases de efecto invernadero
Fuente: UNEP- GRID Arendal
Se denominan gases de efecto invernadero (GEI) o gases de invernadero a
los gases cuya presencia en la atmósfera contribuyen al efecto invernadero. Los
más importantes están presentes en la atmósfera de manera natural, aunque su
concentración puede verse modificada por la actividad humana, pero también
entran en este concepto algunos gases artificiales, producto de la industria. Esos
gases contribuyen más o menos de forma neta al efecto invernadero por la
estructura de sus moléculas y, de forma sustancial, por la cantidad de moléculas
del gas presentes en la atmósfera.
Los denominados gases de efecto invernadero o gases invernadero,
responsables del efecto descrito, son:
Vapor de agua (H2O), es un gas que se obtiene por evaporación o ebullición
del agua líquida o por sublimación del hielo. Es el que más contribuye al efecto
invernadero debido a la absorción de los rayos infrarrojos. Es inodoro e
incoloro y, a pesar de lo que pueda parecer, las nubes, vulgarmente llamado
"vapor", no son vapor de agua sino el resultado de minúsculas gotas de agua
líquida o cristales de hielo.
Dióxido de carbono (CO2), anhídrido carbónico, es un gas cuyas moléculas
están compuestas por dos átomos de oxígeno y uno de carbono.
Metano (CH4) El metano es el hidrocarburo alcano más sencillo. Cada uno de
los átomos de hidrógeno está unido al carbono por medio de un enlace
covalente. Es una sustancia no polar que se presenta en forma de gas
a temperaturas y presiones ordinarias. Es incoloro e inodoro y
apenas soluble en agua en su fase líquida.
Óxidos de nitrógeno (NOx) El término óxidos de nitrógeno (NxOy) se aplica a
varios compuestos químicos binarios gaseosos formados por la combinación
de oxígeno y nitrógeno. El proceso de formación más habitual de
estos compuestos inorgánicoses la combustión a altas temperaturas, proceso
en el cual habitualmente el aire es el comburente.
Ozono (O3), es una sustancia cuya molécula está compuesta por tres átomos
de oxígeno, formada al disociarse los 2 átomos que componen el gas de
oxígeno. Cada átomo de oxígeno liberado se une a otra molécula de oxígeno
(O2), formando moléculas de ozono.
Clorofluorocarbonos (CFC) es cada uno de los derivados de los hidrocarburos
saturados obtenidos mediante la sustitución de átomos de hidrógeno por
átomos de flúor y/o cloro principalmente. Debido a su alta estabilidad
fisicoquímica y su nula toxicidad, han sido muy usados como líquidos
refrigerantes, agentes extintores y propelentes para aerosoles.
Si bien todos ellos (salvo los CFC) son naturales, en tanto que ya existían en
la atmósfera antes de la aparición del hombre, desde la Revolución Industrial y
debido principalmente al uso intensivo de los combustibles fósiles en las
actividades industriales y el transporte, se han producido sensibles incrementos en
las cantidades de óxido de nitrógeno y dióxido de carbono emitidas a la atmósfera,
con el agravante de que otras actividades humanas, como la deforestación, han
limitado la capacidad regenerativa de la atmósfera para eliminar el dióxido de
carbono, principal responsable del efecto invernadero.
Figura 9 Gases de efecto invernadero en la atmósfera
Fuente: http://www.ecologismo.com/2008/08/11/gases-del-efecto-invernadero/
1.1.4. Cambio climático producido por los gases de efecto invernadero
El cambio climático está cambiando el planeta y los humanos contribuimos
diariamente a incrementarlo. En los 100 años últimos la temperatura media global
del planeta ha aumentado 0,7 °C, siendo desde 1975 el incremento de
temperatura por década de unos 0,15 °C. En lo que resta de siglo, según el IPCC,
la temperatura media mundial aumentará en 2-3 °C. Este aumento de temperatura
supondrá para el planeta el mayor cambio climático en los últimos 10.000 años y
será difícil para las personas y los ecosistemas adaptarse a este cambio brusco.
En el tiempo actual, los cambios de temperatura se están originando por los
cambios en el dióxido de carbono de la atmósfera. En los últimos 100 años, las
concentraciones atmosféricas de CO2 han aumentado en un 30% debido a la
combustión antropogénica de los combustibles fósiles. El aumento constante del
CO2 atmosférico ha sido el responsable de la mayor parte del calentamiento. Este
calentamiento no puede ser explicado por causas naturales: las mediciones de los
satélites no muestran variaciones de entidad en la energía procedente del Sol en
los últimos 30 años; las tres grandes erupciones volcánicas producidas en 1963,
1982 y 1991 han generado aerosoles que reflejaban la energía solar, lo cual
produjo cortos periodos de enfriamiento.
El calentamiento atmosférico actual es inevitable, estando producido por las
emisiones de gases invernadero pasadas y actuales. 150 años de industrialización
y de emisiones han modificado el clima y continuará repercutiendo en el mismo
durante varios cientos de años, aun en la hipótesis de que se redujeran las
emisiones de gases de efecto invernadero y se estabilizara su concentración en la
atmósfera. El IPCC en su informe de 2007 manifiesta: Hay un alto nivel de
coincidencia y abundante evidencia respecto a que con las políticas actuales de
mitigación de los efectos del cambio climático y con las prácticas de desarrollo
sostenible que aquellas conllevan, las emisiones mundiales de GEI seguirán
aumentando en los próximos decenios.
Las consecuencias del cambio climático provocado por las emisiones de GEI
se estudian en modelos de proyecciones realizados por varios institutos
meteorológicos. Algunas de las consecuencias recopiladas por el IPCC son las
siguientes:
En los próximos veinte años las proyecciones señalan un calentamiento de
0,2°C por decenio.
Las proyecciones muestran la contracción de la superficie de hielos y de nieve.
En algunas proyecciones los hielos de la región ártica prácticamente
desaparecerán a finales del presente siglo. Esta contracción del manto de hielo
producirá un aumento del nivel del mar de hasta 4–6 m.
Habrá impactos en los ecosistemas de tundra, bosques boreales y regiones
montañosas por su sensibilidad al incremento de temperatura; en los
ecosistemas de tipo Mediterráneo por la disminución de lluvias; en aquellos
bosques pluviales tropicales donde se reduzca la precipitación; en los
ecosistemas costeros como manglares y marismas por diversos factores.
Disminuirán los recursos hídricos de regiones secas de latitudes medias y en
los trópicos secos debido a las menores precipitaciones de lluvia y la
disminución de la evapotranspiración, y también en áreas surtidas por la nieve
y el deshielo.
Se verá afectada la agricultura en latitudes medias, debido a la disminución de
agua.
La emisión de carbono antropógeno desde 1750 está acidificando el océano,
cuyo pH ha disminuido 0,1. Las proyecciones estiman una reducción del pH del
océano entre 0,14 y 0,35 en este siglo. Esta acidificación progresiva de los
océanos tendrá efectos negativos sobre los organismos marinos que producen
caparazón.
1.1.5. Protocolo de Kyoto
El Protocolo de Kioto sobre el cambio climático es un protocolo de
la CMNUCC Convención Marco de las Naciones Unidas sobre el Cambio
Climático, y un acuerdo internacional que tiene por objetivo reducir las emisiones
de seis gases de efecto invernadero que causan el calentamiento global: dióxido
de carbono (CO2), gas metano (CH4) y óxido nitroso (N2O), además de tres
gases industriales fluorados: Hidrofluorocarbonos (HFC), Perfluorocarbonos (PFC)
y Hexafluoruro de azufre (SF6), en un porcentaje aproximado de al menos un 5%,
dentro del periodo que va desde el año 2008 al 2012, en comparación a las
emisiones al año 1990.
1.1.6. Alternativas de mitigación
1.1.6.1. Reducción de las emisiones de gases de efecto
invernadero
1.1.6.1.1. Conseguir que la eficiencia sea rentable
Conseguir más electricidad, medios de transporte y producción industrial
con menos carbón, petróleo o gasolina es una solución que sólo presenta
ventajas: más beneficios, menos contaminación, menos calentamiento
atmosférico. Aunque los gastos iniciales para mejorar el equipo y la
tecnología pueden ser elevados.
La mayor parte del progreso inmediato que se puede conseguir para reducir
las emisiones de gases de efecto invernadero consiste en utilizar los
combustibles fósiles de manera más eficiente. Los ahorros conseguidos de
esta manera permitirán ganar tiempo para el sistema climático mundial
mientras se desarrollan tecnologías alternativas y se consigue hacerlas
rentables. Se espera que las fuentes libres de emisiones sustituyan con el
tiempo a los combustibles fósiles como categoría principal de suministro de
energía.
Las turbinas de “ciclo combinado” –en las que el calor resultante de la
quema de combustible impulsa las turbinas de vapor al mismo tiempo que
la expansión térmica de los gases de escape mueve las turbinas de gas –
pueden aumentar la eficiencia de la generación de electricidad un 70%. A
más largo plazo, las nuevas tecnologías podrían duplicar la eficiencia de las
centrales eléctricas.
Las pilas de combustible de gasolina y otras tecnologías avanzadas en el
sector del automóvil pueden reducir casi a la mitad las emisiones de dióxido
de carbono resultantes del transporte, y lo mismo cabría decir de los
vehículos “híbridos” de gas/electricidad, algunos de los cuales se
encuentran ya en el mercado.
El gas natural libera menos dióxido de carbono por unidad de energía que
el carbón o el petróleo. Por ello, el cambio al gas natural es una forma
rápida de reducir las emisiones.
La industria, que produce más del 40% de las emisiones mundiales de
dióxido de carbono, puede beneficiarse de la cogeneración combinada de
calor y electricidad así como de otros usos del calor residual, la mejor
gestión de la energía y una mayor eficiencia en los procesos de
manufactura.
La instalación de sistemas de iluminación y electrodomésticos más
eficientes en los edificios puede reducir significativamente el consumo de
electricidad. El mejor aislamiento de las construcciones puede representar
una enorme reducción de la cantidad de combustible necesario para la
calefacción o el aire acondicionado
La reducción del consumo de combustibles fósiles al mismo tiempo que se
mantiene el crecimiento económico representará un gran desafío.
1.1.6.1.2. Aprovechar las tecnologías con energías
renovables
La energía solar y la electricidad generada por el viento –con los niveles
actuales de eficiencia y costo– pueden sustituir en parte a los
combustibles fósiles, y se utilizan cada vez más. Un mayor empleo de
tales tecnologías puede incrementar sus eficiencias de escala y reducir
sus costos. La contribución actual de estos métodos de producción de
energía a los suministros mundiales representa menos del 2%.
La expansión de la energía hidroeléctrica, cuando convenga, podría
representar una importante contribución a la reducción de las emisiones
de gases de efecto invernadero… pero el uso de la energía
hidroeléctrica se ve limitado necesariamente por su repercusión en los
asentamientos humanos y los sistemas fluviales.
Las turbinas eólicas pueden sustituir en parte la generación de
electricidad basada en los combustibles.
El uso de la biomasa como fuente de energía –por ejemplo, la leña, el
alcohol fermentado del azúcar, los aceites combustibles extraídos de la
soja y el gas metano emitido por los vertederos– puede ayudar a
recortar las emisiones de gases de efecto invernadero, pero sólo si la
vegetación utilizada con ese fin se sustituye por una cantidad
equivalente de nuevas plantas (para que el dióxido de carbono liberado
por la combustión de biomasa sea capturado de nuevo mediante la
fotosíntesis).
La energía nuclear no produce prácticamente ningún gas de efecto
invernadero, pero, debido a la preocupación pública por los problemas
de seguridad, transporte y eliminación de los residuos radioactivos –por
no mencionar la proliferación de armas–, el empleo responsable de la
energía nuclear continuará siendo, probablemente, limitado. Ahora
representa en torno al 6,8% de los suministros mundiales de energía.
Existen ya nuevas tecnologías que permiten “captar” el dióxido de
carbono emitido por las centrales eléctricas basadas en el uso de
combustibles fósiles, y hacerlo antes de que llegue a la atmósfera.
Luego, el dióxido de carbono se almacena en depósitos subterráneos y
vacíos de petróleo o de gas, en yacimientos de carbón abandonados o
en las profundidades del océano. Este planteamiento, que se utiliza ya
en forma limitada, no es exactamente “renovable”, y se está estudiando
cuáles son los posibles riesgos y efectos ambientales.
