PARTE 4 Por Etienne Erice: Crisis Energética, expresada por el declive del petróleo, conocida como, “Peak Oil”.

La crisis energética, es en la actualidad una imposibilidad de obtener enormes cantidades de energía para mantener el metabolismo del sistema económico de la civilización moderna. Esta civilización compleja, es posible gracias a un sistema de circulación de energía que recorre el cuerpo de las ciudades e industrias.  Estos flujos se pueden almacenar, transportar, y consumir en forma expedita. La mayor parte de estos bloques de energía son obtenidos del petróleo. Cuya energía almacenada por plantas y animales que vivieron hace millones de años, proviene de la energía solar que alimentaba la vegetación primigenia.

Una de las mayores expresiones de esta crisis, es representada por un agotamiento de los combustibles fósiles, si bien ha sido predicha desde los años 70, del siglo pasado, por el club de Roma, y el grupo del MIT en su informe, “Los límites al crecimiento”, realizado, mediante estimaciones basada en la dinámica de sistemas. y actualizadas sus proyecciones en revisiones sucesivas (1), en el año 2012, este declive del petróleo ya es una realidad concreta desde el año 2006, año llamado cenit del petróleo, Turiel (2), plasmada en la curva de Hubert propuesta ya en los años 50, como se muestra en la figura N°3.

En esta curva se visualiza el declive de nuevos yacimientos a descubrir, y da cuenta del agotamiento del petróleo, este recurso sin duda no se acabará, pero por las razones de costos y eficiencia energética debido a las tasas de retorno energéticas (TRE), harán inviable su extracción completa, un ejemplo es el petróleo texano de principios del siglo 20, cuyas tasas de retorno energéticas eran de 100 a 1, mientras que las tasas de extracción del método basado en el “fracking”, (3), son de 3 o 4.

 

Figura 3: Curva de producción del petróleo, como sugirió originalmente M. King Hubbert en 1956; preveía un pico de unos 12,5 x109 bbl/año en torno al año 2000. La producción mundial en 2016 ascendió a 29,4×109 bbl/año, más del doble, y continúa aumentando.

Figura 4: Curva de producción del petróleo actual y futuro.

Para comparar las diferentes fuentes energéticas, que presentan una gran diversidad entre ellas, con tasas de retorno energético (TRE), para las principales fuentes de energía y con el auxilio teórico de este concepto, es posible comparar eficazmente fuentes energéticas diversas entre sí, desde la simple leña (biomasa), hasta la energía solar fotovoltaica, que requiere una considerable inversión energética en la fabricación de los paneles solares.

La estimación de la TRE es, en primer término, sencilla: se trata de calcular, de manera matemática y precisa, la cantidad de energía primaria que es necesario aportar para llevar a cabo todos los procesos implicados en la extracción energética de la fuente que se evalúa. Sin embargo, y aunque medir la TRE de un proceso físico sencillo es algo no exento de ambigüedad, no existe un acuerdo estandarizado sobre qué actividades deben ser incluidas en la medida de la TRE de un proceso económico. Es decir, ¿hasta dónde hay que llevar la cadena de procesos necesarios para explotar una fuente de energía?.

Por este motivo, aunque no exista una norma, a la hora de comparar las TRE de dos fuentes energéticas es necesario que estas hayan sido calculadas con criterios homologables: por ejemplo, considerar la energía empleada en la fabricación de los materiales necesarios, pero ya no la de construcción de las plantas más allá del primer eslabón de la cadena de suministros.

En la tabla N°1, siguiente, (tomada de AspoItalia), ​ se recopilan las estimaciones de la TRE de las principales fuentes energéticas:

Tabla N°1:  Valores de tasas de retorno energéticas (TRE)

Fuentes TRE Cleveland​ TRE Elliott TRE Hore-Lacy​ TRE (Otros)
Combustibles fósiles
Petróleo
– Hasta 1940
– Hasta 1970– Hoy
> 10023

8

50 – 100 5 – 15
Carbón
– Hasta 1950
– Hasta 1970
80
30
2 – 7 7 – 17
Gas natural 1 – 5 5 – 6
Pizarra bituminosa 0,7 – 13,3 < 1
Energía nuclear
Uranio 235 5 – 100 5 – 100 10 – 60 < 1
Plutonio 239
Fusión nuclear < 1
Energías renovables
Biomasa 3 – 5 5 – 27
Hidroeléctrica 11,2 50 – 250 50 – 200
Eólica 5 – 80 20
Geotérmica 1,9 – 13
Solar
– Mediante colectores
– Térmica
– Fotovoltaica
1,6 – 1,9
4,2
1,7 – 10
3 – 9 4 – 9 7 – 20
Etanol
– De caña de azúcar
– De maíz
– De residuos de maíz
0,8 – 1,7
1,3
0,7 – 1,8
0,6 – 1,2
Metanol (de madera) 2,6

 

Fuente: AspoItalia

La AIE Agencia Internacional de la Energía (4), reconoce por primera vez que el “Peak Oil”, del petróleo crudo fue en 2006. Y que tanto el carbón como el uranio podrían estar también llegando a sus máximos productivos.

En cuanto a la nuclear, Turiel indica que lleva décadas en decadencia, El cenit del uranio fue en 2012, la energía nuclear, ahora agravada por la escasez de uranio. Como se ve en la Figura N°5.

 

Figura 5: Curva de declive energía nuclear (Turiel).

 

Figura 6: Curva de declive producción de Uranio futuro.

 

A largo plazo, más allá de 2030 (5), la escasez de uranio limitará la expansión de las centrales nucleares. Es decir, de todos modos, debido a los recursos limitados de uranio, la energía nuclear basada en uranio será limitada.

En resumen, de acuerdo a Turiel, el Cenit del petróleo, 2005 (crudo), Cenit del carbón, fue el 2015, Cenit del gas, hacia 2020.

Probablemente, indica hemos superado ya el cenit del petróleo, del carbón y del uranio, y el gas natural sobrevendrá hacia 2020.

La escasez de petróleo desencadena una gran volatilidad en el precio, con ciclos de destrucción de oferta/demanda. La falta crónica de energía garantiza que la crisis no acabará nunca.

No hay alternativas a los combustibles fósiles y el uranio, faltan capacidad de escala, materiales, tiempo y capital. Nuestro sistema, que siempre había sido insostenible, se ha vuelto inestable y amenaza con colapsar.

 

¿Qué pasa con las tecnologías del futuro?,

¡Las tecnologías maravillosas!.

Arthur Clarke, en su cuento fabula, “Superioridad”, se culpa a Norden, científico teórico y genio prometeico de fallar en crear el arma definitiva, que acabaría con la guerra sideral. Narración y crítica histórica, a la promesa de Wernher von Braun al tercer Reich de ganar la guerra con sus armas maravillosas.

La lección a aprender es que las tecnologías revolucionarias, pueden llegar tarde, y consumir los mejores recursos humanos y materiales en una solución definitiva al problema. La realidad y las leyes de la física si bien están basadas en principios claros y simples, al aplicarla a las necesidades humanas requieren mucho tiempo para ser depuradas y ser funcionales.

La apuesta por las tecnologías maravillosas del futuro.

Los reactores de fusión, la energía prometeica para el siglo XXI, que están a décadas de concretarse en alternativas reales, grandes cantidades de recursos y lo mejor del ingenio humano están trabajando a marchas forzadas para domesticar la energía del sol.

Analicemos el estado actual de estas.

La Fusión es la fuente de energía del Sol y las estrellas. En el tremendo calor y la gravedad en el núcleo de estos cuerpos estelares, los núcleos de hidrógeno chocan, se fusionan en átomos de helio más pesados ​​y liberan enormes cantidades de energía en el proceso.

La humanidad emulando a nuestra estrella madre, quiere dar un salto adelante en la construcción de las energías que podrían salvar nuestro mundo de la crisis energética, y lo representa en el Proyecto ITER (6). En el sur de Francia, 35 naciones están colaborando para construir el equipo llamado tokamak más grande del mundo, un dispositivo de fusión magnética que ha sido diseñado para demostrar la viabilidad de la fusión como una fuente de energía a gran escala y libre de carbono basada en el mismo principio que impulsa nuestro Sol y las estrellas.

La experiencia que se llevará a cabo en ITER, es crucial para avanzar en la ciencia de la fusión y preparar el camino para las plantas de energía de fusión del mañana.

ITER será el primer dispositivo de fusión para producir energía neta, y que mantenga la fusión durante largos períodos de tiempo. El ITER será el primer dispositivo de fusión que pruebe las nuevas tecnologías integradas, los materiales y los procesos físicos necesarios para la producción comercial de electricidad basada en la fusión nuclear.

Este proyecto de gran complejidad, pretende demostrar la factibilidad científica y tecnológica de la fusión nuclear. Miles de ingenieros y científicos han contribuido al diseño de ITER desde que se lanzó por primera vez en 1985 la idea de un experimento conjunto internacional de fusión.

Los miembros de ITER (China, la Unión Europea, India, Japón, Corea, Rusia y Estados Unidos), ahora participan en una colaboración de más de 35 años para construir y operar este dispositivo experimental, y juntos llevar la fusión al punto donde se puede diseñar un reactor de fusión de demostración.

El primer plasma de ITER está programado para diciembre de 2025. Esa será la primera vez que se encienda la máquina, y el primer acto del programa de varias décadas de ITER.

La integración y el ensamblaje exitoso de más de un millón de componentes (diez millones de piezas), construidos en las fábricas de los miembros de ITER en todo el mundo y entregados en el sitio de ITER, constituyen un tremendo desafío de logística e ingeniería. La Organización ITER llevará a cabo el trabajo apoyado por varios contratistas de ensamblaje (nueve contratos en total).

El programa de construcción y puesta en servicio del Proyecto ITER se puede ver en la Tabla adjunta.

Tabla N°2 Cronograma Proyecto ITER

La construcción de ITER ha sufrido muchos retrasos y su coste ha crecido mucho más de lo esperado. ITER es un proyecto multinacional de China, India, Japón, Rusia, Corea del Sur, EE.UU. y la Unión Europea que trabajan al unísono y con gran confianza mutua para garantizar el éxito de esta instalación experimental. Y para compartir todo el conocimiento obtenido de su construcción y futuros experimentos.

El proyecto inicial de ITER se pensaba que costaría unos 5 mil millones de euros, pero al inicio de la construcción en 2013 se elevó a 15 mil millones. Ya en 2016 se estimó que rondará los 22 mil millones. Y en abril de 2018 un informe del DOE (US Department of Energy) para un comité del Senado de EE.UU. afirmó que superará los 65 mil millones de dólares.

Desde el punto de vista técnico, el Proyecto ITER es un reactor de fusión de tipo tokamak, el cual es el resultado de más de 60 años de investigación. Cuando esté construido será el mayor tokamak del mundo, con un volumen de 840 metros cúbicos en la cámara toroidal que contiene el plasma. En teoría producirá unos 500 MW de potencia con un factor de ganancia Q=10, es decir, con una entrada de energía de solo 50 MW.

El ITER, no será un prototipo de reactor de fusión comercial, sino que servirá para diseñar dicho prototipo, que se llamará DEMO.

La inyección de plasma no significa que se inyecte combustible fusionable. Primero habrá que aprender a usar la máquina para controlar la estabilidad del plasma, y se harán grandes esfuerzos en simulaciones matemáticas y resolución de problemas de física del plasma, algo que puede costar varios años. Incluso genios matemáticos como Terence Tao, están trabajando en la solución de las ecuaciones que servirán para simular las turbulencias en el plasma.

Se inyectará combustible por primera vez en 2035, salvo que se planifique una vía rápida para la fusión.

Todo parece indicar que la fusión nuclear comercial será cosa de la segunda mitad del siglo XXI. Una vía rápida hacia la fusión podría permitir que DEMO (7), estuviera construido recién en 2040. Pero al ritmo actual no estará listo antes de 2050. Algunos expertos reclaman una vía ultrarrápida hacia la fusión, pero los gobiernos que financian ITER hacen oídos sordos a su petición debido a los astronómicos costos y en aumento.

Y una vez completado el prototipo comercial DEMO, podrán comenzar a construirse reactores de uso general por el año 2060 o 2070. Seguramente podrán masificarse y ser una alternativa funcional planetaria de energía en el siglo XXII.

Además de los equipos tokamaks como el ITER, hay otro tipo de reactores de fusión llamados “stellarator”.

Hacia el reactor tipo stellarator. Soporte para W7-X

El concepto stellarator ofrece una ruta alternativa a una Central Eléctrica de Fusión, gracias a sus propiedades únicas: operación en modo continuo, sin inducción de corriente externa, y sin disrupciones del plasma.

Angela Merkel inauguró, con gran orgullo, en el año 2016 el mayor stellarator del mundo, llamado Wendelstein 7-X ó W7-X. Está en Alemania, su diseño con 5.5 m de radio mayor es de gran belleza gracias a la geometría curvada de sus bobinas superconductores, toda una obra de arte del diseño en ingeniería.

La investigación en stellarators está retrasada varias décadas respecto a los tokamaks. Su fabricación es mucho más complicada que la de un tokamak. La primera generación de stellarators comenzó a funcionar en la década de los 1990. De hecho, Wendelstein 7-X (W7-X) no es un reactor de fusión y nunca se intentará la fusión en su interior. Su objetivo es estudiar la estabilidad del plasma a alta temperatura durante al menos treinta minutos (logro que se debería alcanzar sobre 2021). Si se introdujera combustible fusionable, deuterio y tritio, sería catastrófico para la instalación, ya que no está preparada para ello.

Tras su éxito (dentro de una década) se iniciará la construcción de HELIAS (todavía ni siquiera está en fase de diseño) que tendrá por objetivo demostrar la fusión en stellarators.

Tras HELIAS (si logra su éxito) vendrá un futuro stellarator (todavía no tiene nombre) que será el equivalente a ITER.

Resumiendo, hay dos caminos viables a la fusión nuclear, uno más adelantado que es el ITER, ante el W7-X, que ni siquiera tiene un programa de construcción comercial, pero ambos están a décadas de operar como una alternativa real, ante la crisis energética que está a la vuelta de la esquina en los años 2030 y 2040. No habrá solución real hasta 2070 o 2080.

Solo haciendo un esfuerzo titánico de logística y recursos materiales y humanos, que justamente serán los más escasos en los periodos, desde los años 2040 y 2050. No debemos olvidar que estas soluciones de tecnologías maravillosas son desplegadas como una alternativa en un tiempo de abundancia y densidades energéticas y de materias primas muy altas, la sociedad futura a finales del siglo XXI y XXII será muy diferente.

En caso de un colapso, y deterioro de las cadenas de logística de suministros de cada uno de los equipos y los países proveedores, de esta muy compleja obra, serán muy difíciles de replicar por una sola nación.

 

En la actualidad, la Agencia Internacional de la Energía (AIE) ha pedido más inversión en la producción de petróleo convencional para evitar “una crisis de suministro” en el año 2025, derivada de una menor producción que no podría compensar EE.UU. con el esquisto, y de una mayor demanda de crudo, procedente ésta, de las economías en desarrollo, sobre todo de China e India.

Como vemos serán años complicados y el colapso puede suceder en cualquier momento, para los niveles de consumo de la población actual.

 

Referencias y Bibliografia

(1): Los Límites del Crecimiento, M.I.T, 1972 (original en inglés: “The Limits to Growth”),  bajo la dirección de Donella y Dennis Meadows.

(2): Antonio Turiel, Cenit del petróleo (peak oil); https://www.comillas.edu/images/catedraBP/Presentacion%20Antonio%20Turiel.pdf

Antonio Turiel Martínez (nacido en León, 1970) es un científico y divulgador, licenciado en Física y Matemáticas y doctor en Física Teórica por la Universidad Autónoma de Madrid. Trabaja como científico titular en el Instituto de Ciencias del Mar del CSIC, Consejo Superior de Investigaciones Científicas, que es una agencia estatal española, es autor de más de 80 artículos científicos especializados y ha dirigido cuatro tesis doctorales, así como una patente.

(3): Método de “fracking”, consiste en fracturar la roca liberando mediante presión el petróleo y derivados, con gran gasto energético y contaminación de las aguas subterráneas, Un proceso típico de fracturación utiliza entre 3 y 12 productos químicos como aditivos.

(4): AIE (Agencia Internacional de la Energía), La Agencia Internacional de la Energía es una organización internacional, creada en 1974 por la Organización para la Cooperación y el Desarrollo Económico (OCDE) tras la crisis del petróleo de 1973. La AIE busca coordinar las políticas energéticas de sus estados miembros, con la finalidad de asegurar energía confiable, adquirible y limpia a sus respectivos habitantes. Tiene 26 estados asociados: Alemania, Australia, Austria, Bélgica, Canadá, Corea del Sur, Dinamarca, España, Estado Unidos, Finlandia, Francia, Grecia, Hungría, Irlanda, Italia, Japón, Luxemburgo, Nueva Zelanda, Noruega, Países Bajos, Portugal, Reino Unido, República Checa, Suecia, Suiza, y Turquía. Sitio web: www.iea.org.

(5): http://nomana.free.fr/public/peak.html

(6): ITER, International Thermonuclear Experimental Reactor, en español sería, Reactor Termonuclear Experimental Internacional

(7) DEMO (DEMOstración de generación de potencia) es un reactor de fusión propuesto más allá del reactor de fusión nuclear experimental ITER. Los objetivos de DEMO son normalmente entendidos como un paso intermedio entre ITER y un “primer acercamiento” a un reactor comercial de fusión

 

 

 

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