La termodinámica y la economía

Llevo un tiempo leyendo (a ratos) el libro del economista Jeremy Rifkin “La Economía del Hidrógeno“. Tuve ocasión de leer un artículo de este autor (de un tema completamente distinto) y me llamó la atención su trabajo. El libro, publicado en 2002 habla de la transición a nuevo modelo energético basado en el vector hidrógeno como medio de almacenamiento de la energía producida a partir de fuentes renovables. Este modelo plantea la autonomía energética de las naciones al no depender de combustibles fósiles provenientes de regiones en conflicto, y reta a construir un nuevo modelo económico. Jeremy Rifkin hace tiempo que habla de la tercera revolución industrial.
El caso es que en el tercer capítulo del libro “La energía y el auge y caída de las civilizaciones” hace un planteamiento interesante, y es que, por encima del dinero, es la energía la que mantiene nuestro nivel de vida, y es la capacidad de gestionar los flujos de energía la que determina que una región prospere o decaiga. Hablar de flujos de energía significa adentrarse en las leyes de la termodinámica, que a fin de cuentas son las que dictan las normas para el uso de la energía. Resulta curioso que un economista se meta en conceptos propios de físicos y químicos, y es precisamente eso lo que me ha llamado la atención del libro, que es capaz de explicar esos conceptos que a mí me enseñaron en forma de expresiones matemáticas y números como algo más asequible a personas con menos base científica.

Copia a continuación un extracto de este capítulo.

La primera y la segunda ley de la termodinámica establecen que  “la energía total que contiene el universo es invariable y la entropía total aumenta constantemente”. La primera ley, según la cual la energía total contenida en el universo es invariable, recibe a veces el nombre de ley de la conservación. Significa que la energía ni se crea ni se destruye. La cantidad de energía contenida en el conjunto del universo permanece fija desde el origen de los tiempos y seguirá así hasta el final de los mismos. Todos los seres humanos que han nacido y todas las cosas que los seres humanos han construido en el curso de la historia son energía que ha sido transformada de un estado a otro. (…) Cuando un ser humano muere y se descompone, así como cuando nuestros objetos materiales se desintegran, la energía que se libera encuentra su camino de vuelta a la naturaleza.

Aquí es donde entra en juego la segunda ley de la termodinámica. La energía ni se crea ni se destruye, sino que se transforma constantemente, pero siempre lo hace en una dirección: pasando de disponible a no disponible. Si quemamos un trozo de carbón, por ejemplo, la energía permanece, pero se transforma en dióxido de sulfuro, dióxido de carbono y otros gases que se liberan en el espacio. No se ha perdido ninguna cantidad de energía en el proceso y, sin embargo, ya no podremos volver a quemar jamás ese pedazo de carbón y convertirlo en trabajo útil.

La segunda ley dice que siempre que la energía se transforma, una parte de la energía disponible se pierde en el proceso, es decir, ya no está en condiciones de realizar trabajo útil. Esta pérdida de energía aprovechable recibe el nombre de entropía y es uno de los conceptos más importantes y al mismo tiempo menos comprendidos y apreciados de la física. (…)

Clasius* observó que para convertir energía en trabajo debe existir una diferencia en la concentración de energía (por ejemplo, una diferencia de temperatura) en partes diferentes del sistema. El trabajo se produce cuando la energía pasa de un nivel mayor de concentración a otro menor (o de una temperatura más elevada a otra más baja). (…)Y lo que es igual de importante, cuando la energía pasa de un nivel a otro el resultado es que hay menos energía disponible para realizar trabajo la próxima vez”

(…)

Es posible invertir el proceso entrópico, pero sólo mediante el empleo de energía adicional. Y naturalmente esta energía adicional, una vez usada, no hace más que aumentar la entropía total. Reciclar los desechos, por ejemplo, requiere el gasto adicional de energía de recoger, transportar y procesar los materiales usados, lo cual incremente la entropía total del entorno.

Digamos, por ejemplo, que tomamos un pedazo de mineral metálico de la superficie de la Tierra y lo convertimos en un utensilio. A lo largo de la vida de este utensilio, las moléculas metálicas se escapan constantemente del producto como resultado de la fricción y el desgaste. Las moléculas liberadas no se destruyen nunca, pero se dispersan de tal forma que ya no están disponibles para realizar trabajo útil.

Fuente: La Economía del Hidrógeno por Jeremy Rifkin, publicado en castellano por Ediciones Paidós Ibérica S.A. (2007).

La idea que yo extraigo es que conocer las limitaciones que impone la termodinámica al uso de la energía es la clave para optimizar su uso.  Un ejemplo de ésto se puede ver en el sistema eléctrico actual en el que quemamos combustible, para obtener calor, que genere vapor, que mueva una turbina, que accione un transformador, o en otras palabras:

Tenemos una energía química contenida en el combustible, que mediante reacción pasa a energía térmica (1).  Esa energía térmica en forma de gases de combustión se transfiere a un fluido ocasionando su cambio de estado a vapor (2) que además contiene energía cinética (puesto que se desplaza por las tuberías por efecto de la presión), la energía cinética del vapor se transforma energía mecánica al accionar los álabes de la turbina(3) y finalmente esa energía mecánica se convierte en eléctrica mediante un alternador (4).

Son cuatro transformaciones de energía, cada una de ellas implica pérdidas en los términos expuestos (reducción de disponibilidad) y al final para obtener 1kw de energía eléctrica hemos gastado mucho más de 1kw de energía primaria en forma de combustible.

En este sentido,  la eficiencia en la producción eléctrica pasaría por reducir el número de transformaciones intermedias. Las pilas de combustible van en esta línea, pues la energía química se convierte directamente en electricidad en base a procesos electroquímicos.

Pero además, el hecho de que un economista se haya puesto a explicar las leyes de la termodinámica nos demuestra que para buscar soluciones a las cosas es necesario abordar los problemas considerando diferentes ópticas y no sólo la que nos da nuestro bagaje profesional y personal.

Esto es todo por hoy,

Un saludo.

* Rudolf Clausius , físico alemán que acuñó el término entropía en 1868.

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¿Cuantas renovables “caben” en Canarias?

Leo vía twitter (@ Sinergia3) que el cluster RICAM ha presentado un estudio realizado por la Universidad de la Laguna en el que se defiende que, en Canarias, el precio del kw·h producido con eólica es menor que el producido en las centrales térmicas. La fotovoltaica también, aunque la energía que produce tiene un coste unitario mayor, sigue ganando en este aspecto a las convencionales. Esto no deja de ser un incentivo para instalar más potencia de origen renovable en el archipiélago, y especialmente energía eólica. Sin embargo hay muchas más cosas a tener en cuenta.

Las energías renovables, frente a los muchos beneficios que tienen (producción eléctrica sin emisiones y sin consumo de combustible, reducción de la dependencia energética exterior, generación distribuida, modularidad…) tienen el inconveniente de la variabilidad. Esto es perfectamente solventable mediante sistemas de almacenamiento de energía, pero hasta que no se desarrollen lo suficiente,  no podremos tener unas canarias 100% renovables.

Bueno, maticemos, sí podríamos tener un archipiélago 100% renovable, pero asumiendo que no vamos a tener un 100% de disponibilidad de suministro (de momento). Nos hemos obstinado en adaptar la producción para que siempre esté disponible la electricidad que las cargas demandan, pero ¿y si apostamos por cargas gestionables?

Evidentemente, esto requeriría de un esfuerzo casi titánico por parte de las administraciones y de la población, para modificar unos hábitos de consumo que tenemos fuertemente arraigados. Básicamente, consumimos lo que queremos y cuando queremos, y que las centrales eléctricas se encarguen de responder. Pero ¿podríamos cambiar eso?

Vámonos por un segundo al terreno de la imaginación. Supongamos, por ejemplo, que tenemos sistemas de información en tiempo real, que contamos con buenos sistemas de predicción meteorológica que nos permitan conocer con un margen de error reducido cuánta energía se va a producir hora a hora (puestos a imaginar, minuto a minuto).  Supongamos también que los usuarios tienen cuantificadas sus cargas y pueden planificar cuándo accionarlas, por ejemplo, seleccionando la mejor hora para poner la lavadora, y la secadora… o para poner a cargar toda la colección de gadgets que hoy en día nos parecen indispensables (además las actuales baterías de ión – litio y las futuras de litio-polímero no tienen efecto memoria). Puestos a imaginar podríamos suponer que existe un medio de comunicación universal con una accesibilidad sin precedentes que permitiría intercambiar la información entre productores y consumidores… esperen, eso último existe, creo que se llama internet.  Sin duda, es díficil llevarlo a cabo pero ¿es imposible?

Si adaptamos, aunque sea parcialmente el consumo a la producción y no al revés, no se hace tan necesario contar con potencia rodante, dispuesta a respaldar a la red cuando se produce un pico de demanda. Si conseguimos amoldarnos a ese sistema, podemos instalar más potencia “variable” frente a la siempre constante y  regulable potencia convencional (léase centrales térmicas para el caso de canarias).  Y ya si se terminan de desarrollar sistemas en los que se pueda almacenar masivamente energía sin grandes pérdidas, entonces por mí, que se lleven los grupos diesel a tomar “viento” fresco… que personalmente me gusta mucho más ver un parque eólico con todos sus aerogeneradores girando simultáneamente, que una columna de humo saliendo de una chimenea. Sobre todo sabiendo que, de toda la energía contenida en el combustible que queman una gran parte se está perdiendo por esa chimenea en forma de calor y de nitrógeno oxidado.

Es solo una reflexión, y obviamente de la idea a la ejecución puede haber un trecho demasiado grande, pero es importante recordar que el hecho de que las cosas siempre han sido así, no significa que no se puedan cambiar. A fin de cuentas dicen que la innovación es el futuro, ¿no?

Retomando la pregunta del título, ¿Cuantas renovables “caben” en Canarias? – Pues dependerá de los esfuerzos que los usuarios estemos dispuestos a hacer.

Un saludo.

Seguridad y Salud en la Operación de Parques Eólicos

Con esa pantalla comenzaba el powerpoint con el que ayer presenté y defendí mi proyecto fin de máster;  antes de terminar el día supe que había aprobado, y con nota además.

Así que, a falta del papeleo para el título, ya soy máster en energías renovables por la universidad de la laguna, con especialidad en Eólica.

Sobre el proyecto

Elegí realizar un estudio de la operación de un parque eólico desde la óptica de la prevención por varias razones, la principal era que quería aplicar la formación que ya tenía (en prl) a algo que había estudiado en el máster, además esto me permitió conocer con más detalle los aspectos relacionados con el mantenimiento de los mismos.

Por otra parte, la eólica es un sector relativamente nuevo en España que ha crecido de forma imparable, y ya toca empezar a definir unas bases para la actividad preventiva que sean propias del sector, igual que las tienen otros sectores de alto riesgo como la construcción o los trabajos con material radiactivo.

Me pareció interesante investigar un poco en este línea, y obviamente no he sido la única. Precisamente la asociación empresarial eólica, ha incluido recientemente algo de información al respecto en su página web, y ha organizado  también jornadas temáticas, la última este mismo mes, a la que me hubiera encantado asistir.

El ámbito del proyecto es un parque existente y en operación perteneciente al ITER (Instituto Tecnológico y de Energías Renovables), conformado por aerogeneradores del fabricante MADE que fuero instalados a finales de los 90.  En el mismo, partía de una revisión de la evaluación de riesgos del parque para a continuación redactar fichas de instrucciones de trabajo para cuatro tareas de mantenimiento. Las operaciones elegidas fueron

  • El trabajo en el exterior de la torre, haciendo uso de plataformas suspendidas.
  • La operación de cambio de una pala, que necesariamente implica el uso de una grúa.
  • La operación de cambio de un elemento del tren de potencia, con más grúas y mayor necesidad de coordinación.
  • El cambio de aceite, por ser trabajo con sustancias químicas y manipulación de carga.

El resultado del estudio son cuatro fichas de trabajo que quedarán para la empresa, por lo que he buscado que se aproximaran lo más posible a la realidad.

La conclusión necesaria es que debemos apostar por las energías renovables pero sin olvidar la seguridad de las personas. A fin de cuentas, no será energía verde del todo, si la calidad de vida de los trabajadores se ha visto mermada como consecuencia de su producción.

¡Un saludo!

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Los hidratos de gas

Parece ser que el intento de cubrir la fuga de crudo en el golfo de Méjico con una cúpula metálica han sido frustrados por la formación de hidratos de gas en el interior de la misma. Pero ¿qué son los hidratos de gas?

Definición

Los hidratos de gas son un tipo de sustancias químicas cristalinas que se originan de forma natural a partir del agua y de gases de poco peso molecular.  Tienen una estructura de jaula, que es agua en forma de hielo y el metano u otros gases como inclusión en la estructura.  Son sustancias sólidas similiares al hielo, sin embargo, se pueden formar a temperaturas sobre el punto de congelación del agua. Generalmente todos los gases (exceptuando el hidrógeno, helio y neón) forman hidratos, sin embargo, los más conocidos y abundantes en la naturaleza son los hidratos de metano.

Según los estudios, 1 metro cúbico de hidratos de metano en el depósito,  puede alojar más de 150 metros cúbicos de metano en condiciones estándar al nivel del mar.  Esto lo convierte en un potencial recurso energético, cuya extracción todavía presenta dificultades técnicas y económicas, pero sobre todo implicaciones medioambientales que no se pueden ignorar.

Origen

En la naturaleza, los hidratos de gas se pueden formar en los sedimentos de los fondos marinos y en tierra en las zonas de “permafrost” de las regiones Árticas del hemisferio norte.

La formación de hidratos de gas en los sedimentos de los fondos marinos está controlada por la temperatura, presión, composición de la mezcla de metano y de otros gases y la impureza iónica de los contenidos en los poros de las rocas sedimentarias del fondo marino. Aparentemente, la mayoría de los hidratos marinos estan restringidos a los bordes de los continentes, donde el fondo es lo suficientemente profundo y donde las aguas ricas en nutrientes descargan materiales orgánicos parcialmente en descomposición,  de tal forma que las bacterias lo convierten en metano. Con la  mencionada combinación de presión y temperatura, estas moléculas de metano pueden ser atrapadas por jaulas cristalinas de hielo, y se forman depósitos de hidratos de gas.

Los hidratos de gas también se encuentran cerca de la superficie terrestre en las regiones permafrost debido a las bajas temperaturas del lugar. Los depósitos permafrost de hidratos de gas han sido hallados en el oeste de Siberia y en Norte de Alaska.

Posibilidades de explotación

Los depósitos conocidos están en entornos bastante hostiles desde el punto de vista de la posible extracción. Se trata de lugares donde los humanos no pueden funcionar sin equipos y protección especiales.  Pero, además del problema general de accesibilidad a los yacimientos, existen otras cuestiones que hasta ahora han impedido el uso de este recurso. Al contrario de lo que sería deseable, los hidratos de gas se encuentran generalmente dispersos en grandes volúmenes de material sólido. Además dado que el gas natural está atrapado en el material helado, se necesita energía para liberarlo y traerlo a la superficie, por lo que de momento, su extracción resulta inviable económicamente.

Influencia en el cambio climático

Dentro de los gases conocidos como de efecto invernadero, el metano es más perjudical que el CO2, puesto que absorbe hasta 25 veces más que éste la energía calorífica del sol. Según las estimacion el metano contenido en los oceanos en forma de hidratos es del orden de 3000 veces el contenido de la atmósfera. A la vista de estos datos es fácil deducir el peligro potencial que suponen estos depósitos submarinos, de favorecer enormemente el efecto invernadero si se liberasen. Un gran deslizamiento submarino puede provocar la salida de cerca de 5 gigatoneladas de metano desde los fondos hasta la atmósfera, según estimaciones realizadas en el deslizamiento de Storegga, en Noruega. Una decena de estos deslizamientos submarinos en varias zonas del planeta, pueden provocar el mismo efecto, o aun mayor, que el provocado por la emisión de CO2 durante todo el siglo XX.

En el continente antártico, se han descubierto importantes acumulaciones de hidratos submarinos, entre ellas en la Península Antártica y en las islas Shetland del Sur. Por el momento, la temperatura de las aguas favorece la estabilidad de los hidratos,  pero la desestabilización de los hidratos en estas áreas supondría ser un factor añadido para el calentamiento global, ya que, coinciden el agujero de ozono estable y una de las mayores zonas potenciales de fusión de los casquetes polares del planeta como es el Mar de Weddell.

Mis conclusiones

Es evidente que de poder extraer este metano en condiciones de seguridad, se obtendría una nueva fuente de combustible que paliase parcialmente la paulatina desaparición del petróleo, sin embargo la combustión de este metano generaría igualmente emisiones de CO2, aumentando el famoso efecto invernadero. Por otra parte, los posibles escapes de metano que se produjeran durante su extracción y explotación no harían más que agravar la situación. Es por esto que personalmente considero que sería necesario estudiar hasta el último detalle, antes de embarcarse a sacar este nuevo “petróleo” de los mares.

Por otra parte, existe el riesgo añadido de que aunque el ser humano se olvide de explotarlos, el progresivo aumento de la temperatura del agua, acabe por desestabilizar los hidratos de gas, (y se funda la estructura del hielo) y se liberen a la atmósfera grandes cantidades de metano. Esto es un riesgo que no deberíamos correr, y un motivo más para evitar el calentamiento global.

Un saludo.

PD: Realicé un trabajo sobre este tema durante la carrera, usando fuentes variadas, pero no he podido recuperar la bibliografía de mis archivos. No pretendo plagiar a nadie.

Gasificación de biomasa

Gasificación es el nombre general que reciben una serie de procesos de combustión incompleta, en los que se opera en defecto de oxígeno, generalmente con concentraciones en torno al 10% del oxígeno estequiométrico. Las materias primas que se pueden usar en este proceso son variadas, y la forma en que se realice el aporte de oxígeno (puro o mezclado con aire) variará tanto el proceso como los productos obtenidos.
La reacción llevada a cabo con aire como fuente de oxígeno, dará lugar a un gas denominado gas pobre (también conocido como gasógeno) que se puede usar como combustible en un motor de combustión interna, o para generar tanto calor de uso directo, como vapor para accionar un turbogenerador. Cuando el oxígeno se aporta en estado puro, el gas obtenido es conocido como gas de síntesis, que es una materia prima en la obtención de productos de valor añadido como metanol o gasolinas.

Estado de la Tecnología.
La tecnología de gasificación no es nueva, de hecho es un proceso que se ha llevado a cabo desde hace varias décadas; tuvo un uso muy extendido como método de obtención de combustibles líquidos a partir de carbón, en los años 40.  Desde entonces, se ha venido usando para multitud de materias primas, tanto de origen renovable como de origen fósil, así como con residuos domésticos o industriales. El hecho de que sólo un 2% del gas de síntesis (dato 2007) proceda de biomasa o residuos refuerza la afirmación de que la gasificación no es un proceso surgido con el objetivo de procesar este tipo de materiales, más bien el uso de la biomasa una aplicación más para este proceso de interés industrial. En resumen, el estado de la tecnología es comercial, sin embargo se siguen investigando nuevo procesos más eficientes, con distintas materias primas o las posibles aplicaciones de los productos de la gasificación.

Aplicaciones en Canarias
Canarias tiene características que la hacen diferente de otras comunidades de España a muchos niveles. Cabe destacar, en relación al tema que nos ocupa, la limitación espacial tanto por el hecho de ser islas, como por la gran proporción que ocupan los espacios naturales protegidos respecto al total de superficie disponible en las mismas; la gran dependencia de combustibles fósiles del exterior (>98%) y la naturaleza de su sistema eléctrico aislado, que necesita tener mayor cantidad de potencia rodante para asegurar la estabilidad del sistema.
La limitación espacial es un factor que condiciona la gestión de los residuos generados en la isla, dado que el espacio destinado a su almacenamiento no puede crecer indefinidamente. Es por esto que el reciclaje y reutilización de residuos de cualquier origen es fundamental para llegar a un modelo de desarrollo sostenible. La gasificación de residuos, como se ha planteado en Reino Unido, supone una posible solución a esta cuestión, que además aporta otras ventajas como podría ser la producción de electricidad mediante la combustión de gasógeno, que llevaría a una ligera (bastante pequeña) reducción del consumo de combustibles fósiles (y de carga en las centrales térmicas) y de las pérdidas por transporte al estar la producción localizada cerca del punto de consumo. Una segunda opción es la obtención de gas de síntesis para posteriormente transformarlo en otros productos de valor añadido como metanol y gasolina.
Sin embargo, en la actualidad, no existen instalaciones de este tipo, y tanto en el PECAN (Plan Energético de Canarias) como en el PIRCAN (Plan Integral de Residuos de Canarias) se contemplan como una posibilidad, hasta el momento, desde un punto de vista teórico.

Este texto forma parte de un pequeño trabajo sobre gasificación que realicé para una asignatura del máster de energías renovables. El trabajo completo con sus respectivas referencias está colgado en el sitio web del profesor (PDF).

Los vampiros de la electricidad

Un cargador de móvil constantemente enchufado para no perderlo, la tele con el eterno piloto de “stand by” o el marco de fotografías digital que sigue funcionando cuando no estamos en casa son buenos ejemplos de equipos electrónicos que consumen energía innecesariamente.

En el caso del marco digital, o cualquier otro electrodoméstico que se deje encendido cuando no se use, es evidente que ahorrar energía es tan fácil como apagarlos cuando no están en uso. Sin embargo, el problema está en los que aún cuando los has apagado siguen tirando de la red, igual no es mucho lo que consumen, pero puede alcanzar un 10% del consumo de una vivienda media.

Para la mayoría de los usuarios el consumo real que puedan hacer estos “vampiros” puede no suponer un gasto perceptible y a lo mejor consideran que la comodidad de tener a los equipos en espera hasta que pulsemos el mando y los pongamos en uso bien merece unos euros más al año.  Si nos vamos a un ámbito un poco mayor, estos vampiros pueden empezar a suponer un problema. Pensemos en hoteles 0 en grandes edificios de oficinas. Es probable que a estos grandes consumidores sí que les interese reducir su factura de la energía, y seguramente buscarán las herramientas para hacerlo si con ello pueden reducir sus costes de funcionamiento.

Además si hablamos en términos de energía, y consideramos ciudades en lugar de viviendas individuales, las cifras cambiarían.  Evidentemente si comparamos el posible ahorro que se conseguiría con esta medida, con los datos de consumo eléctrico, puede parecer insignificante, pero con la situación energética actual, la mejor energía es la que no se consume.

Para más información:

Save Energy by Avoiding Phantom Power – By Collin Dunn  en Planet Green.

Vampiros eléctricos en los hogares: Cómo combatirlos – Por Alex Fernández en Consumer Eroski

How to stop energy vampires and phantom power loads

Jornadas sobre eficiencia energética.

Recientemente acudí a unas jornadas sobre eficiencia energética muy interesantes. Uno de los aspectos más destacable fue la variedad de ponentes que exponian su propio punto de vista respecto a este asunto.  A lo largo de las diferentes sesiones, pudimos escuchar a las grandes eléctricas y a los usuarios, así como conocer aspectos como el papel de la eficiencia en las estrategias y políticas energéticas de la administración, la oferta e innovación en este campo, y los aspectos sociales y medioambientales implicados.

Algunas ponencias fueron especialmente clarificadoras en relación a conceptos como la curva de carga, y la simultaneidad de la producción y el consumo de electricidad, y cómo en la actualidad el precio de la electricidad no es un incentivo para el ahorro por parte de los usuarios domésticos. Destacó la ponencia de la Vicepresidenta de la Confederación de Consumidores y Usuarios CECU, que habló de aspectos menos técnicos, de la necesidad de un cambio de mentalidad tanto del usuario final, como de las propias industrias.

Se habló también del agua y su coste energético (especialmente en desalación), además de nuevas tecnologías como los contadores inteligentes, para un control más preciso del consumo eléctrico,  el coche eléctrico y la gestión de la demanda eléctrica.

Sin embargo, un aspecto negativo fue el hecho de que toda la prensa se marchara después de la inauguración por parte del Presidente del Gobierno (de Canarias). Si bien las palabras del Sr. Presidente, son generalmente un asunto a tratar en prensa, no menos importante era la temática y conclusiones de la jornada, y sin embargo esa información no trascenderá a la opinión pública, si los medios no se hacen eco de ella.

Un saludo.

PD:  Prometieron subir las ponencias a la web, en cuanto las encuentre las enlazaré.