viernes, 18 de diciembre de 2015

Sustituibilidad de los combustibles fósiles


Queridos lectores,


Como les prometí, aquí está la segunda parte del análisis de Antonio García-Olivares sobre la transición a un modelo energético basado exclusivamente en fuentes renovables. En esta ocasión, Antonio aborda cómo se podrían sustituir los combustibles fósiles. Es un análisis largo y detallado, y muy interesante.



Salu2,
AMT


Sustituibilidad de los combustibles fósiles por electricidad y materiales renovables en una economía post-carbono


Antonio García-Olivares


1. Introducción


Ayres y Warr (2005), dos eminentes investigadores cercanos a la escuela de la Economía Ecológica, demostraron que la electrificación ha sido la fuente más importante de trabajo útil para la producción de bienes y servicios, y el conductor más importante de crecimiento económico durante el siglo veinte. La exergía (energía utilizable) del combustible necesario para generar un kilovatio-hora de energía eléctrica ha disminuido en un factor de diez durante el siglo pasado. Esto implica que la eficiencia termodinámica de la conversión aumentó diez veces durante ese período, disminuyendo el coste de producir electricidad y aumentando su consumo por el efecto Jevons, tal como se muestra en la figura siguiente.
Fig. 1. Exergía incorporada en los principales usos del trabajo útil de la economía norteamericana. De Ayres y Warr 2005.
Ese artículo también demuestra que el crecimiento en el uso de energía útil U (figura) ha sido la principal causa del crecimiento del PIB de EEUU durante el s. XX.
Fig. 2. Input de trabajo útil a la economía norteamericana durante el siglo XX
El peso del incremento de uso de la energía útil en el incremento del PIB es del orden del 65%, frente a un 30% del capital y un 5% del trabajo humano (figura).









Fig. 3. Productividades marginales del trabajo humano (L), capital (K) y trabajo útil (U) en la economía norteamericana.

La conclusión inevitable es que la componente de la energía útil que más ha crecido, la electricidad, es la principal responsable del crecimiento del PIB de la economía norteamericana y de la de otros países desarrollados en el s. XX. Esto es todavía más marcado en la industria, donde la electricidad es el input energético principal, tal como muestra la Tabla siguiente, de Banerdjee et al. (2012).









Tabla 1. Input de energía de la industria global por sectores y tipo de energía en 2005 (en PJ ó 1015 J), excluidas las materias primas energéticas
E:\agolivares\exergia y oil crash\grupo soluciones\article on sustitutability of electricity for fossil fuels\articles substitutability-II\Benaardjee-World-Energy-use-Industry.gif
Por otra parte, la eficiencia de conversión del petróleo en movimiento es sólo del 30%, o la conversión de la energía del gas y el carbón en calentamiento industrial tiene eficiencias típicas del 60-65% (por ejemplo, en la industria cementera norteamericana es del 61%), mientras que la conversión de electricidad a movimiento es de 95% si se toma de la red y del 80% si se toma de baterías, y la producción de calor por resistencia tiene eficiencias del 97%, parecida a la que puede tener un horno doméstico o industrial para producir calor (95-100%). Si tuviéramos en cuenta estas eficiencias en las curvas de la fig. 1, la curva correspondiente al servicio prestado por la electricidad estaría por encima del servicio final prestado por los otros inputs de la economía, tales como calor, combustibles para motores de combustión y materiales no combustibles.
Device
Efficiency
Reference
Gasoline motor
0.25–0.30
[44]
Diesel motor
0.40
[45]
Battery-powered motor
0.80
[46]
Overhead line electric motor
0.95
[46]
Fuel cell motor
0.50
[47]
Coal braziers
0.97

Coal cooking stoves
0.22
[17]
Electric resistance (air heating)
0.97
[16]
Electric resistance (cooking)
0.74
[48]
Heat pump
3.0
[49]
Condensing boiler
0.90
[50]
Gas hob
0.40
[48]

Tabla 2. Eficiencias de distintos motores y sistemas de calentamiento. Las fuentes de estos valores se dan en García-Olivares (2015 c).
Dado que la industria es por su propia naturaleza parte de la economía real, no especulativa, podemos decir que el aumento de uso y de eficiencia de producción de la electricidad ha sido el principal motor del crecimiento de la economía real durante todo el siglo XX. El petróleo también ha tenido un papel fundamental en el crecimiento, por las nuevas posibilidades de consumo ofrecidas por los plásticos, y porque ha facilitado una economía globalizada que luego se convirtió en especulativa. Y lo hizo facilitando el traslado de mercancías nuevas a todos los rincones del planeta, permitiendo viajes continuos de miles de ejecutivos a cualquier rincón geográfico para detectar oportunidades baratas de explotación del planeta, de su “capital humano” y de sus recursos, por escondidos que estuvieran.    
Cuando uno observa los procesos que tienen lugar en una cadena de montaje robotizada ve que lo más sofisticado y difícil de hacer se hace con electricidad.
Algunos de estos videos, que muestran el funcionamiento de una cadena de montaje robotizada, pueden ser muy ilustrativos:
En el momento en que un arco eléctrico o un láser comienza a realizar una soldadura de precisión, o en el momento en que un robot gira una pieza y la coloca en el ángulo exacto para un corte con plasma o con láser, no comienzan a rugir de repente los motores diésel, sino que son corrientes y señales eléctricas las que se ponen en movimiento en todos los casos.
Lo único que usa petróleo en un proceso industrial complejo son los camiones que traen las piezas y llevan los productos acabados al mercado. Pero este transporte sería relativamente fácil sustituirlo por trenes y vehículos eléctricos y camiones con pilas de combustible. Lo realmente difícil es lo inverso: tratar de hacer con petróleo el accionamiento y control de las máquinas y robots industriales. O dicho de otra manera, lo que es difícil, por no decir imposible, es hacer con una energía de baja calidad (convertibilidad en trabajo útil), como el petróleo, las actividades de precisión que permite una energía de alta calidad (contenido en trabajo útil), como la electricidad. Gracias a que la electricidad es ya prácticamente trabajo útil, un sistema de soldadura de arco es capaz de dirigir toda la potencia eléctrica exactamente al milímetro cuadrado de metal que se quiere fundir, sin desperdiciar nada de potencia; un láser o un sistema de implantación de iones (Figura) es capaz de hacer un surco de cien átomos de profundidad en una oblea de silicio, permitiendo fabricar objetos de alta precisión y alta eficiencia, como un transistor o un ordenador.
https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/3/33/Ion_implanter_schematic.png
Fig. 4. Esquema de un sistema de implantación de iones sobre la superficie de un semiconductor de silicio. Los iones penetran unos pocos nanómetros en la superficie del blanco. Todo el sistema es eléctrico.
https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/7/77/Bug_1c.jpg
Fig. 5. Grupo de engranajes realizados con sistemas microelectromecánicos cerca de un ácaro. Tales micromáquinas y micrograbados pueden tener tamaños de un micrómetro. La energía para hacerlos es inevitablemente eléctrica.
Debido a que la electricidad es una forma de energía con alto grado de orden, su uso permite realizar movimientos y transportar la potencia hasta lugares muy precisos, hasta en escalas casi atómicas, algo fuera del alcance de los combustibles. Todos los productos derivados de la electrónica y microelectrónica del siglo XX, así como la informatización, la robotización y la automatización de la industria, se lo debemos a esa característica especial que tiene la electricidad, y a su creciente uso, y no al uso del petróleo. Si ahora mismo desapareciera la electricidad, retrocederíamos al siglo XIX, cosa que no pasaría si desapareciera el petróleo pero pudiéramos conservar la electricidad. Pero para poder utilizar a gran escala la electricidad podríamos usar lo que queda de petróleo, con el fin de facilitar la construcción de los 12 TW de potencia renovable que discutíamos en un post anterior.
Holmgren (2009), uno de los fundadores del movimiento de la Permacultura, ilustraba mediante el gráfico siguiente cuatro maneras posibles en que nuestra sociedad podría responder y adaptarse al cénit de los combustibles fósiles (Fig. 6): tecno-explosión, tecno-estabilidad, descenso de energía controlada, o colapso.
Fig. 6. Posibles escenarios de uso social de energía tras el cénit de los combustibles fósiles

(i) El escenario “tecno-explosión” se podría producir si se descubrieran nuevas fuentes de energía que permitieran un consumo creciente de energía a pesar de la disminución de los combustibles fósiles; (ii) el de “tecno-estabilidad” implicaría un despliegue de energía renovable (ER) suficiente para sostener un consumo de recursos, una población y una actividad económica estacionarios, con nuevos procesos industriales basados en electricidad capaces de mantener si no mejorar la calidad de los servicios disponibles en la actualidad; (iii) el escenario de “descenso energético controlado” o “permacultura” implicaría una reducción del consumo de energía y de actividad económica, la adopción de sistemas de "baja tecnología" y de técnicas agrícolas de permacultura, y un consumo de energía estacionaria final algo por encima del nivel preindustrial; (iv) por último, el escenario de “colapso” sería una degradación incontrolada de los sistemas económicos y sociales cercanas a la predicción de Duncan (1989). Implicaría una importante mortandad en la población humana y una pérdida de los conocimientos y la infraestructura necesarios para mantener la civilización industrial.
Holmgren opina que el pico de los combustibles fósiles implicará una reducción del consumo de energía en la economía, ya que la sustitución de los combustibles fósiles por las energías renovables no será suficiente para mantener la enorme diversidad de actividades económicas que eran impulsadas por el petróleo, el carbón y el gas. Él sugiere que la baja densidad de energía de las ER, con el tiempo, forzará una ruralización de los asentamientos y de la economía, con un menor consumo de energía y recursos, una disminución progresiva de las poblaciones humanas, y el abandono de la alta tecnología.
Sin embargo otros autores como Daly, Jacobson y Delucchi consideran que una economía post-carbono no tiene por qué ser preindustrial, y podría mantener una prosperidad similar a la actual. En mi opinión, el que la economía acabe estando más cerca del escenario previsto por Holmgren o más cerca del escenario de Daly dependerá de: (i) La cantidad de procesos económicos actuales que se puedan hacer con electricidad; (ii) El grado en el que los procesos no-reemplazables sean cruciales o no para el resto de la economía.
Considero inverosímil el escenario de la tecno-explosión porque las nuevas tecnologías y sistemas energéticos tardan unos 50 años en difundirse por toda la economía (Fouquet 2010). De modo que los nuevos sistemas energéticos que sustituirán a los combustibles fósiles dentro de cincuenta años son muy probablemente los que se está probando actualmente, es decir, las energías renovables. Sin embargo, el despliegue global de ER es muy dependiente de un conjunto de materiales con reservas limitadas, especialmente el cobre (García-Olivares et al. 2012; García-Olivares 2015 a). Por lo tanto, es muy improbable que una economía 100% ER pueda continuar con el crecimiento exponencial de suministro de energía al que estamos habituados.
Por otra parte, creo que nuestra sociedad tiene los medios y la prudencia suficientes como para evitar el escenario de colapso a cualquier precio. Como se discutió en García-Olivares (2015 a) actualmente disponemos de tecnologías de ER que permitirían suministrar alrededor de 12 TW de electricidad a nivel mundial sin agotar las reservas actuales de cobre, litio y níquel. Es improbable que, disponiendo de nuevas fuentes globales de energía, las sociedades humanas no desarrollen los conocimientos y la tecnología capaces de utilizarlas de manera eficiente. No creo en el mito cornucopiano según el cual siempre habría recursos energéticos suficientes solamente conque el stock de conocimientos aumente con la suficiente rapidez. Pero, de acuerdo con un argumento utilizado por Greer (2015) creo que, si se encuentra una nueva fuente de energía, el ingenio humano creará tecnologías capaces de explotarla, y mucho más si la alternativa es el colapso.
En un artículo recientemente aceptado (García-Olivares 2015 c) trato de responder las cuestiones (i) y (ii). Para ello, tomo como referencia el análisis de GEA (2012). Este libro analiza de forma muy detallada los flujos de energía que alimentaron, sector por sector, a la economía mundial en el año 2005. No he encontrado un análisis mejor para años más recientes, así que utilicé la economía de ese año como referencia para caracterizar la economía mundial contemporánea. Tablas como la 1, sacada de ese libro, me sirvieron de referencia para conocer los inputs energéticos de los principales sectores: agricultura, bosques y pesquerías, transporte, comercial y residencial, e industria. El objetivo es prever si una sociedad post-carbono sería compatible con una economía industrial similar a la actual, y cuáles serían los principales cambios que los diferentes sectores económicos sufrirían en tal sociedad futura.

2. Energía primaria y energía en los puntos finales


La producción mundial de energía primaria fue de 496 EJ en 2005, lo que equivale a 15,7 TW de potencia media anual. La energía primaria incluye la energía incorporada en los repositorios de energía como el petróleo (167,4 EJ), el gas natural (99 EJ), el carbón (122.2 EJ), la energía nuclear (28,5 EJ), la biomasa (46.3 EJ), la energía hidroeléctrica (30,1 EJ) y las nuevas energías renovables capturadas por paneles solares, turbinas eólicas, etc. (2,3 EJ). Debido a las pérdidas de conversión y distribución, la energía final que impulsó la economía mundial fue de 330 EJ, o equivalentemente, 10460 GW de combustibles y electricidad. Por sectores, el consumo final fue: 27,7% en el transporte, el 26,8% industrial, 9,5% comercial, 24,6% de viviendas, 9,2% en materias primas, y el 2,3% en la agricultura, la silvicultura y la pesca.
Fig. 7. Flujos de energía global (EJ) en 2005, desde energía primaria hasta energía útil, por input de recurso primario, por vector energético (energía secundaria hacia el uso final económico) y por uso final en distintos sectores.

Cuando se analizan estos datos lo primero que se observa es que el petróleo es dominante en el transporte, en la industria petroquímica, y donde hay fuerte transporte de materiales pesados, como en la construcción o en la industria militar. Sin embargo, como vector energético, es secundario en toda la industria salvo en la construcción y en “otras” industrias (militar, etc.) (Tabla 1). Si no incluimos la energía incorporada en las materias primas energéticas (“feedstocks”), el vector energético dominante en la industria es la electricidad, seguido del carbón, el gas y en cuarto lugar el petróleo. Pero si contamos la energía que va incorporada en los productos petroquímicos, que es muy grande (unos 719 GW en 2005), el petróleo sí que sería dominante en la industria, al igual que lo es en el transporte. Dos grandes retos que tendrá una sociedad post-carbono serán sustituir el actual transporte por otro basado en electricidad en lo posible, y salvar lo que se pueda del sector petroquímico utilizando materias primas renovables en lugar de petróleo. Otros retos importantes serán la producción y reciclado de los metales, la producción de amonio, y la sostenibilidad de la agricultura. Estos retos serán analizados más abajo.

3. Agricultura, bosques y pesca


La distribución de los combustibles fósiles utilizados en la agricultura es muy variable entre países. En 2013 en los EE.UU. el 60% del consumo de energía fue de combustibles como diésel y gasolina, el 5% fue gas y petróleo líquido, y el 35% electricidad. Tomaremos este reparto como típico de todos los países desarrollados. Sin embargo, la agricultura occidental es un caso extremo de alta utilización de la maquinaria y riego y baja utilización de mano de obra, mientras que los países en desarrollo están más cerca del extremo opuesto. Los insumos energéticos de una granja típica de cultivos herbáceos de secano están probablemente cerca de este segundo extremo y consisten en un 20% de combustibles líquidos (diésel), 0% de electricidad y un 80% de materias primas. Tomaremos este último reparto como típico del uso de combustibles fósiles en la agricultura de los países en desarrollo. Según Pimentel la energía utilizada por la agricultura global se reparte aproximadamente al 50% entre los países desarrollados y en desarrollo.
Suponemos que el petróleo se utiliza principalmente para el transporte, que se electrificará en el futuro. Algunos trabajos de labranza requieren tractores de alta potencia que, en el futuro, podrían ser alimentados por pilas de combustible. Sin embargo, si se ha instalado en la granja un punto de conexión a la red, muchos otros trabajos agrícolas genéricos podrían ser realizados por una flota de tractores eléctricos pequeños, ya que la recarga de la batería podría ser tan frecuente como sea necesario, y algunos tractores eléctricos estaría trabajando mientras que otros están recargando. Para los pequeños agricultores, el equipo mínimo de tracción necesario consistiría en un tractor y dos baterías recargables. Por supuesto, en tal sistema futuro, la conexión de las granjas a la red eléctrica se convertirá en imprescindible. Si esa conexión no estuviera disponible o el agricultor no pudiera permitirse el lujo de poseer un tractor, la labranza tendría que basarse en el trabajo humano, como es el caso actualmente con los pequeños agricultores de los países en desarrollo.
Para ser pesimistas, utilizaremos una estadística del reparto actual de distintas máquinas agrícolas, y supondremos que los vehículos de baterías eléctricas reemplazarán sólo el 23% del total de las máquinas que consumen petróleo del sector, y el 77% de las mismas serán reemplazadas por tractores con pila de combustible. Aunque como veremos luego, las limitadas reservas de platino sugieren que sería más prudente limitar este último número al 10%.
Suponemos que el gas se utiliza para la calefacción, que será sustituido por calentamiento por resistencia eléctrica que es 97% de eficiente; y que la biomasa se usará en el futuro con la misma eficiencia, aproximadamente 22% para la producción de calor en estufas rurales. Suponemos que el gas se utiliza principalmente para agua y calefacción de espacios con la eficiencia típica de una caldera de condensación (aproximadamente el 90%), algo probablemente optimista. Se supone que el petróleo se usa con fines de transporte y la labranza se hace con la eficiencia de los motores diesel (40%) (Tabla 2).
Teniendo en cuenta las eficiencias anteriores, la potencia usada en 2005 en este sector (240 GW) se convertirá en 188 GW en una economía post-carbono. La expresión utilizada para hacer el cálculo es la siguiente:

pr = pf [0.5 (0.92 × 0.60 (0.23 edi/eba + 0.77 edi/efc) + 0.08 est/est + (0.92 × 0.05) ecb/eer + 0.92 × 0.35) + 0.5 (0.77 edi/efc + 0.23 edi/eba) ]                (1)
donde pr es la potencia media anual exigida por un sector agrícola renovable; pf es la demanda del sector en el año 2005; y edi, eba, efc, est, ecb, eer son las eficiencias de los motores diésel, motores de baterías, motores de pila de combustible, estufas rurales, calderas de condensación, y resistencia eléctrica, respectivamente.

4. Transporte


El transporte es el sector económico que más petróleo consume. El hidrógeno ha sido propuesto como un transportador de energía alternativo que es similar al petróleo y al gas natural, y que podría ser utilizado para el transporte. Sin embargo, los actuales sistemas electrolíticos requieren alrededor de 60 kWh para producir 1 kg de hidrógeno, lo que implica una eficiencia de energía del 65% si tomamos el poder calorífico alto (PCA) del hidrógeno producido. Esto implica que el hidrógeno producido y consumido en el lugar tiene 1,53 veces más electricidad incorporada que su propio contenido PCA. Si se tienen en cuenta también las pérdidas a lo largo de la cadena de conversión del hidrógeno, es decir, licuefacción, transporte y manipulación, el resultado es que la producción de hidrógeno para el consumo en un avión a reacción o en una pila de combustible requiere 1,8 veces su contenido energético PCA en forma de electricidad o, equivalentemente, 2,1 veces su contenido en poder calorífico inferior (PCI), que es la métrica que se utiliza en la Tabla 1.
Además, los motores eléctricos son más eficientes que los motores de pila de combustible (Tabla 2) y, por ambas razones, un vehículo de pila de combustible requiere 3,6 veces más consumo de electricidad integrada que un vehículo eléctrico. Además, el hidrógeno producido es cinco veces más caro que el uso directo de energía eléctrica renovable. Por lo tanto, el uso directo de energía eléctrica mediante motores es una manera más barata y más eficiente para producir movimiento, y es la opción más prometedora para un futuro transporte terrestre. La excepción sería aeronaves y otros medios de transporte que no son capaces de recibir energía de la red eléctrica, así como los vehículos que tienen requisitos especiales de alta autonomía y potencia, como ambulancias, camiones de bomberos y coches de policía.
Un transporte terrestre eficiente idealmente debería basarse en trenes eléctricos para transporte de mercancías y pasajeros entre ciudades, y vehículos eléctricos (EV) para el transporte de corta distancia entre ciudades y pueblos. Sin embargo, vamos a suponer, de forma pesimista, que el futuro del transporte terrestre estará basado en la electrificación de la flota actual de vehículos.
En 2005 estaban en circulación alrededor de 600 millones de vehículos pequeños, 205 millones de vehículos comerciales (pesados) y 215 millones de motocicletas. El número de vehículos comerciales que utilizarán pilas de combustible es muy dependiente del peso futuro dado a los trenes de mercancías de larga distancia. Vamos a suponer que su número será sólo el 10% del número de vehículos comerciales, debido a que con este porcentaje el 99% de las reservas de platino (y 22% de las reservas de platino y paladio) tendría que ser utilizado en los electrodos de la celda de combustible. El paladio (Pa) es más abundante que el platino (Pt) y se ha informado de que puede sustituir al Pt en pilas de combustible, aunque no con prestaciones idénticas. Las baterías de litio son las de mayor densidad de energía y, por esta razón, son las más utilizadas en los coches eléctricos actuales. Tomando potencias de motor y capacidades de batería típicas para estas tres clases de vehículos (Tabla 3) y la densidad del metal usado en sus respectivos motores (Tabla 4), la cantidad de litio (Li) que la flota de 2005  requeriría sería 7,8 Mt.
Tabla 3. Clases de vehículos eléctricos (VE) (columna 1), número global en 2005 (columna 2), potencia típica de su batería (columna 3) y capacidad de la batería (columna 5)..
Tipo de VE
Número en 2011 (millones)
Potencia (KW)
Capacidad de batería (KWh)
Ligeros
600
60
22.4
Pesados
205
179
67
Motocicletas
215
3.6
1.2
Tabla 4. Valores usados para la estimación de los metales requeridos por el sistema de transporte. La densidad es la masa de metal usado por unidad de potencia o por unidad de energía almacenada en el motor, la batería o la pila de combustible.
Metal
Densidad
Reservas (106 t)
Cobre
0.73 kg/kW
680
Litio
0.3 kg/kWh
13.5
Níquel
2.5 kg/kWh
81
Platino
0.004 kg/kW
0.015 (0.07)a
a Reservas de los metales del grupo del Pt (Pt, Pa, Rh, Ru, Ir, Os).
Una batería alternativa usada también en el mercado de automóviles eléctricos es la de níquel Na-NiCl2 (Zebra). Si se utilizaran estas baterías para renovar la flota mundial, se utilizarían 65 millones de toneladas de níquel. Las cifras comentadas equivalen al 58% y el 80% de las reservas actuales de Li y Ni, respectivamente. Si se utilizara un 50% de baterías de Li y un 50% de baterías de Ni, habría que consumir el 29% y el 40% de las actuales reservas de Li y Ni, respectivamente. Teniendo en cuenta que las reservas no pueden expandirse indefinidamente, el número máximo de vehículos que una futura sociedad post-carbono podría sostener es más o menos el número que tenemos actualmente. Un número mayor podría poner en peligro la disponibilidad de Li y Ni para otras demandas económicas.
El transporte marítimo se basa en unos 87.500 buques, sin incluir las embarcaciones navales y de pesca. Los buques de guerra son sólo unos pocos miles en todo el mundo, por lo que se puede tomar 100 000 como una estimación por arriba del número de buques no pesqueros. Suponiendo que este tipo de buque utiliza cuatro motores pesados como los de la Tabla 3, el número total de motores marinos sería 1,72 × 106 pesados y 0,23 × 106 motores ligeros.
Para completar el número de motores ligeros y pesados ​​que probablemente necesitarían pilas de combustible, tenemos que añadir la cantidad mundial de tractores agrícolas pesados, el número de ambulancias, y el número de coches de policía y vehículos de bomberos. Los tractores agrícolas se estimaron en 28.570.900 en 2005. Vamos a suponer que el 10% de éstos serán tractores de alta potencia que necesitarán pilas de combustible. El número de ambulancias per cápita fue de aproximadamente 1 por cada treinta mil personas en Turquía y de 1 por cada 4.350 personas en Australia cifras que consideraremos como representativas de un país en desarrollo promedio y de un país desarrollado, respectivamente. Vamos a suponer que el número de coches de policía es el mismo que el número de ambulancias. Los camiones de bomberos serán considerados mucho menores en número.
Bajo estos supuestos, y teniendo en cuenta que los países en desarrollo incluían el 81% de la población mundial en 2005, se obtiene un total de 1.200.000 motores ligeros y 4.577.000 motores pesados, números que deben ser considerados orientativos, y no estimaciones precisas.
Como una pila de combustible de 50 kW necesita unos 0,2 kg de Pt o una cantidad parecida de su sustituto, el paladio (Pa), la masa de Pt o Pa necesaria para una flota de motores con pila de combustible de este tipo es 18.250 t. Esto es el 28% de las reservas actuales de platino y paladio (66.000 t). Por lo tanto, el despliegue de pilas de combustible podría ser suficiente, en principio, para satisfacer los requisitos actuales de vehículos especiales y 10% de los vehículos comerciales, pero no mucho más escalable, excepto si se desarrollaran tecnologías basadas primero en paladio y luego en nuevos materiales hasta sustituir totalmente el platino en los catalizadores de las celdas de combustible.
Suponiendo que los vehículos de pila de combustible serán principalmente las ambulancias, coches de policía y un 10% de los vehículos comerciales, y teniendo en cuenta la energía necesaria para la producción de hidrógeno electrolítico, y las eficiencias dadas en la Tabla 2, la potencia necesaria para el transporte por carretera sería 893 GW.
Suponemos que la mitad del transporte de trenes en el mundo ya ha sido electrificada y que la otra mitad utiliza locomotoras diésel. Suponiendo que la mayor parte del consumo de energía del transporte en tren es para la tracción de locomotoras, y el uso de las eficiencias de motor que se muestran en la Tabla 3, la potencia requerida por el 100% del transporte de ferrocarril electrificado es de unos 52 GW. La demanda de energía del sistema de transporte podría reducirse considerablemente si el transporte terrestre actual, basado en los coches fuera reemplazado por un aumento sustancial en el transporte ferroviario. A modo de ejemplo, un tren típico interurbano transporta ocho veces más pasajeros sentados por MW que un coche (204 personas / MW vs. 25 personas / MW). Por lo tanto, un sistema de trenes bien organizado  tiene el potencial para reducir el consumo de energía del futuro transporte por carretera en un factor ocho.
En cuanto al transporte marítimo, suponemos que la mayor parte de la energía consumida por el sector va a barcos y motores mecánicos. Bajo este supuesto, se estima que para producir el servicio obtenido en 2005 con 285 GW, una economía post-carbono requeriría 830 GW. Este aumento en un factor tres de la demanda de energía deriva de la necesidad de producir hidrógeno para alimentar los motores de pila de combustible marinos. Sin embargo, el 10% -35% de esta energía se podría ahorrar si se utilizaran sistemas eólicos en tándem con los motores de la nave, como el sistema de cometas SkySails. En los sistemas de propulsión por cometas, la energía eólica a alturas entre 100 y 300 m es convertida directamente en tracción sin conversión intermedia a electricidad, y con el bajo costo de mantenimiento que es típico de los sistemas de baja tecnología.
Alrededor del 89% del sistema de transporte podría ser electrificado en una sociedad post-carbono, ya que el transporte aéreo mundial utiliza sólo el 11% de la energía demandada por el sistema de transporte. Para mantener el mismo volumen de tráfico aéreo que en 2005, el transporte aéreo necesitaría 3% (11% de 27%) de 10,4 TW de combustible, o 0,32 TW de hidrógeno (H2) y biocombustibles. Si se utilizara electrólisis para suministrar H2, se requeriría aproximadamente 696 GW de electricidad renovable.

5. Sectores comercial y residencial


Estos dos sectores consumieron 3.8 TW en 2005, más que toda la industria y más que todo el transporte. Su potencial de ahorro es grande con medidas relativamente simples de eficiencia energética. Las mejoras en los aislamientos de los edificios, calentamiento pasivo y otras medidas del lado de la demanda permitirían ahorrar entre un 5 y un 15% de la demanda energética global. La mayor parte de este ahorro vendría del sector residencial.
Los servicios requeridos por el sector residencial incluyen la elaboración de alimentos, higiene (calentamiento de agua), confort térmico (aire acondicionado), iluminación, trabajo mecánico, y comunicación. Todos estos servicios podrían, en principio, ser suministrados por la electricidad. Suponemos que el nivel actual de utilización de la biomasa para la calefacción y la cocina será el mismo en una economía post-carbono futuro (aproximadamente 1 TW).

Alrededor de 1 TW podría ser producido por energía fotovoltaica residencial si el 12,5% de las áreas de las poblaciones fueran cubiertas con paneles fotovoltaicos. Esto cubriría el 39% de las necesidades residenciales, y el 61% restante debería ser obtenido de la red eléctrica.
Suponemos que el petróleo consumido por este sector pasa por completo a los motores de combustión interna, que serán sustituidos por motores eléctricos; que el carbón se utiliza 50% en braseros de carbón y 50% en cocinas, donde los primeros se sustituyen por resistencias eléctricas y los segundos se sustituyen 50% por resistencias eléctricas y 50% por bombas de calor. Suponemos que el gas natural se utiliza 50% en cocinas de gas y 50% en calderas para calentar interiores, donde las primeras se sustituyen por resistencias eléctricas y las segundas serán sustituidas 50% por resistencias y 50% por bombas de calor.
Con estos supuestos, y usando una expresión similar a (1), se obtiene que 2.9 TW podrían suministrar en el futuro el mismo servicio que 3.8 TW en la economía de 2005.

6. Industria


Las fracciones de petróleo, carbón, gas, electricidad y biomasa consumida por cada sector industrial en el año 2005 se han tomado de la Tabla 1. Para estimar las eficiencias de los principales procesos industriales de cada sector, utilicé los diagramas Sankey (de flujos energéticos) de los principales sectores que proporciona el departamento de medio ambiente norteamericano. La figura siguiente muestra uno de ellos.
Fig. 8. Diagrama de flujos de energía del sector de construcción de maquinaria de EEUU. Fuente: USDOE 2011.

Cuando uno de estos diagramas no estaba disponible para algún sector, utilicé los valores de las eficiencias dadas en la tabla 2.
Una cosa que se observa en general es que casi todos los procesos de una fábrica son electrificables. Si observamos los diagramas de Sankey de distintos sectores (véase fig. 8), vemos que los procesos consumidores de energía de una industria consisten en general en: importación de calor, producción de vapor (y de electricidad), el proceso industrial central (que suele involucrar calentamiento de alta y media temperatura y materias primas derivadas del carbón, gas y petróleo), accionamiento de maquinaria (bombas, ventiladores, aire comprimido, manipulación y procesamiento de materiales, y otros), calentamiento, ventilación y acondicionamiento de los espacios de trabajo, iluminación, transporte dentro del lugar de trabajo, y otros servicios de apoyo.
Pues bien, la producción de calor puede hacerse eléctricamente, con rendimientos energéticos mayores que los que tienen los combustibles. Otra cosa es que se sigan quemando combustibles porque sus precios son aún menores que el que tiene la electricidad. El calentamiento a alta temperatura (>600ºC) se puede hacer con arco eléctrico, el de media temperatura (100 a 600ºC) con resistencias, microondas y autoinducción, el de baja temperatura (<100 bomba="" calor.="" con="" de="" span="">
El proceso industrial central, además de calentamiento a alta y media temperatura, requiere el uso de materias primas, algunas de ellas procedentes del carbón, el gas y el petróleo fósiles. El reto para una sociedad post-carbono será sustituirlas por carbón vegetal, biogás e hidrógeno de origen renovable. Más abajo comentaremos algunos detalles de cómo podría hacerse. Una parte de este proceso es también eléctrico hoy en día.
El accionamiento de maquinaria se realiza ya eléctricamente en su mayoría. La ventilación y la iluminación suelen ser eléctricas, y el acondicionamiento de espacios se puede hacer con mejor rendimiento que con gas, con bomba de calor. Finalmente, el transporte dentro del lugar de trabajo suele hacerse con vehículos de combustión interna, pero podría hacerse con mejor rendimiento con vehículos eléctricos.   
Analicemos la sustituibilidad de algunos de los sectores principales. El análisis de todos los sectores se puede consultar en el artículo original.

Equipos de transporte y maquinaria


Debido a la falta de estadísticas mundiales, hemos tomado el análisis de energía utilizada y CO2 emitido que ha realizado el DOE norteamericano para estos sectores, como representativos de la eficiencia del uso de los combustibles y la electricidad por estas industrias en el mundo. Luego, se ha calculado el coste energético en una industria electrificada. La expresión utilizada es la siguiente:
pr = pf (f1 esp/eer + f2 ecb/eer + fo3 ein/eel + fo5 ein/eba + fg4 0.5 (ecb/eer + ecb/ehp) + fh + fe)   
(2)

donde pr es la potencia media anual exigido por un sector de equipo de transporte post-carbono; pf es la demanda del sector en el año 2005; f1, f2, son, respectivamente, las fracciones de entradas de combustible para la generación de vapor y de calentamiento en el proceso central, en relación con la entrada total de energía para el sector; fo3, es la fracción de combustible (que suponemos derivado del petróleo) que se utiliza para el accionamiento de máquinas, fo5, es la fracción de combustible (petróleo) que se utiliza para el transporte en el lugar; fg4 es la fracción de combustible (se supone que gas natural) que se utiliza para calefacción, ventilación y aire acondicionado; fh y fe son las fracciones de calor y electricidad consumida por el sector, respectivamente; y esp, ein, eel, eba, bce, ehp, ecb, son la eficiencia de producción de vapor, motores de combustión interna, motores conectado a la red eléctrica, motores de batería, calderas de condensación, bombas de calor, y proceso de calentamiento industrial (caldera convencional) , respectivamente. Para el transporte en el lugar suponemos una futura sustitución de vehículos eléctricos por vehículos de combustión interna, con una eficiencia ein intermedia entre la de un vehículo de gasolina y un diésel (0,30) (Tabla 2). La eficiencia de resistencia eléctrica para calefacción y la producción de vapor, eer, se supone que es 0,97 (véase la Tabla 2), la eficiencia de calentamiento industrial, ecb, se ha supuesto que ser 0,83, que es una valor típico para una caldera de gas convencional, dado que el uso de calderas de condensación en la industria aún no está extendido. La eficiencia de la producción de vapor, esp (0,81), así como las fracciones f1, f2, fo3, fg4, fo5, fh y fe se estimaron a partir de los diagramas de Sankey de la industria de los Estados Unidos ("Equipo de transporte"). Suponemos que el calor importado de otras industrias tendrá la misma eficiencia de producción que en la actualidad, lo cual es probablemente una suposición conservadora. Bajo estos supuestos, el consumo actual del sector, 45,2 GW, se convertiría en 39,2 GW (Tabla 5).

Expresiones similares se han utilizado para estimar la potencia requerida en otros sectores industriales post-carbono.

Construcción


El diagrama Sankey para este sector no está disponible, y por tanto utilizamos la siguiente expresión para el cálculo de la energía necesaria en la futura economía:
pr = pf ((fc + fb) esp/eer + fo ein/eba + fg 0.5 (ecb/eer + ecb/ehp) + fh + fe)
(3)

donde pr es la potencia media anual exigido por el sector de la construcción post-carbono; pf es la demanda del sector en el año 2005; fc, fb, fo, fg, fh y fe son las fracciones de carbón, biomasa, petróleo, gas, calor y electricidad consumida por el sector, respectivamente; y especialmente, ein, eba, ehp, ecb, son la eficiencia de la producción de vapor, motores de combustión interna, motores de baterías, bomba de calor, y el proceso de calentamiento de la industria (caldera convencional), respectivamente. Dada la falta de información sobre la distribución de los diferentes combustibles entre los procesos principales de la industria, la expresión supone que toda la energía del carbón y la biomasa se utiliza para la producción de vapor en calderas convencionales (83% de eficiencia), la totalidad de petróleo usado se utiliza en motores de combustión, y la totalidad del gas se utiliza en calderas convencionales y en calentamiento industrial (83% de eficiencia) y se reemplazarán con un 50% de la potencia usada por resistencias eléctricas y otro 50% de la potencia usada por bombas de calor.

Bajo estos supuestos, el consumo energético de 2.005 (46,9 GW) se convertiría en 27,1 GW. Una expresión similar a la ecuación (3) se utiliza para otros sectores en los que no hay diagrama de Sankey disponible.

Hierro y acero


Una parte importante de la industria es electrificable sin demasiada imaginación. Sin embargo hay procesos que son intrínsecamente imposibles de electrificar. Uno de los principales es la reducción química de los minerales para extraer los diferentes metales, en la producción de hierro y acero y de los metales no ferrosos. Hoy en día la reducción se suele hacer con C o con CH4. Sin embargo, en el proceso actual de producción de hierro esponja, con frecuencia se emplea hidrógeno como gas reductor, a través de la reacción agregada:
3Fe2O3 + 9 H2 → 6 Fe + 9 H2O
y este proceso podría ser el más adecuado para una futura economía post-carbono.
DRI (internal structure)2DRI
Fig. 9. Hierro esponja producto de la reducción directa

El hierro y el acero se producen actualmente utilizando los clásicos altos hornos de carbón (70%) y reciclando chatarra en hornos de arco eléctrico (29%). En el primer proceso, se necesitan 0,6 toneladas de coque para producir 1 t de acero; en el segundo proceso no se necesita carbón. Por lo tanto, el input efectivo de coque es 0,42 toneladas por tonelada de acero producido. La producción de acero crudo fue de 1 × 109 t en 2005, lo que requiere 420 millones de toneladas de coque.
Fig. 10. Horno eléctrico de arco para el reciclado de acero a partir de chatarra. Los electrodos (incandescentes en la foto) son de grafito, de unos 2 m de longitud
Si se empleara la reducción directa con hidrógeno para todo el hierro que se produjo en 2005 (7.47 × 108 t / año), con la eficiencia de la electrólisis de hidrógeno del 65%, encontramos que alrededor de 275 GW de energía se consume en la síntesis de hidrógeno necesaria para la producción de hierro. Por otra parte, los procesos de reducción directa utilizan aproximadamente 11 GJ por tonelada métrica de hierro producido. Por lo tanto, serían necesarios unos 261 GW para la reducción global del hierro.
http://www.kobelco.co.jp/english/engineering/products/dri/img/flow.gif
Fig. 11. Proceso típico de reducción directa de hierro con H2 y CO producidos mediante reformado de gas natural. En una reducción directa con H2, el reformador de gas natural de la figura sería sustituido por un sistema electrolítico que emitiría O2 como residuo.

A partir de este hierro, se puede fabricar acero de crisol mediante difusión de carbón, un proceso que se conoce en la industria como "carburización". Por supuesto, en una economía post-carbono, ese carbono procedería del carbón vegetal de origen renovable. Las concentraciones típicas a alcanzar son de alrededor de 0,5% de carbono en el acero. Por lo tanto, para producir 1,65 × 109 t / año de acero (la producción de acero en 2014) necesitaríamos 8,3 × 106 t / año de carbono, un suministro que consumiría un 23% de la actual producción de carbón vegetal. Los 0,4 GJ / t de energía necesaria para la carburación es energía requerida para mantener una temperatura constante en el horno de fusión, y ascendería a 13,8 GW para cubrir la producción de acero en 2005. En total, 550 GW sería necesaria para el hierro la producción y posterior de carburación para producir acero. La cifra sería un poco más grande si se incluyeran en la estimación el bombeo y otros pequeños consumos eléctricos. En el sector "hierro y acero" norteamericano de 2010 la fracción de energía utilizada en “no-proceso” (HVAC, iluminación, soporte instalación, transporte en el lugar y otras que no forman parte del proceso central), procesos de enfriamiento y refrigeración del proceso central, accionamiento de  máquinas y otros usos auxiliares del proceso central, fue en total el 31% en relación con la energía que demanda el proceso central (calentamientos de horno y reacciones electro-químicas). Si suponemos que la misma fracción es aproximadamente válida para una reducción directa completamente electrificada en la producción de acero, debe añadirse a nuestra estimación el 31% de 550 GW. El resultado final es que se requieren 720 GW para el hierro y la producción de acero en una economía post-carbono, 51% más de potencia que en la actualidad.
Otros metales que podrían ser producidos principalmente por reducción directa con hidrógeno son el cobre, el estaño y el níquel, mediante las reacciones:
CuO(s) + H2(g) → Cu(s) + H2O(l)
SnO2 + 2 H2 → Sn + 2H2O
NiO + H2 → Ni + H2O

Metales no ferrosos

Otros metales serían más difícilmente reducibles con hidrógeno y habría que utilizar carbono procedente de carbón vegetal renovable. Por ejemplo, la producción de plomo implica la concentración de la galena (PbS) a través de trituración, molienda, flotación y sinterización, y la extracción del metal a través de la fundición y refino. Durante el proceso de fundición (en un alto horno vertical) la galena se tuesta (reacciona con O2) para eliminar el azufre:
2PbS + 3 O2 → 2PbO + 2SO2
El óxido de plomo formado se reduce con coque a forma metálica:
2PbO + C 2Pb + CO2
Con un poco de ayuda de la reacción paralela:
2PbO + PbS → 3Pb + SO2
La fracción de coque necesaria para la reducción en la producción primaria de plomo es normalmente de 130 kg de coque por tonelada de plomo producido.
La producción secundaria de plomo a partir de chatarra reciclada es el 50% de la producción mundial.
Un horno Ausmelt/ISASMEL utiliza 5.000 toneladas de coque y carbón para producir 125.000 toneladas de lingotes de plomo secundario, y una planta de QSL utiliza 15.000 toneladas de carbón para producir 135.000 toneladas de lingotes de plomo. Suponiendo que el 50% de los sistemas actuales para la producción secundaria utilizan el sistema anterior, mientras que el otro 50% usa este último, podemos estimar que son necesarias 591.500 toneladas de coque equivalente para obtener la producción actual de plomo ( 5,46 × 106 t / año). Utilizando los contenidos relativos de carbono en el carbón (0,75) y el coque (0.90), esto es equivalente a 709.800 toneladas de carbón.
De un modo parecido se pueden ir calculando las cantidades de hidrógeno o de carbón renovable que necesitaría una economía post-carbono para obtener las producciones actuales (2005 en realidad) de los diferentes metales.
Otros metales que requieren carbono para su producción son las ferroaleaciones, tal como muestra la tabla siguiente:
Tabla 5. Producción anual de las principales ferroaleaciones en 2005, su consumo de carbono por tonelada producida, y el carbono requerido por año para su producción.
Ferroaleación
Producción (Mt/year)
Carbono Reductor (kg/t)
Carbono (Mt/year)
Ferro-cromo
6.6
550
3.6
Ferro-silicio
5.4
1150
6.2
Silicio metálico
0.7
1300
0.9
Ferro-manganeso
4.6
500
2.3
Silicio-manganeso
6.9
550
3.8
Ferro-níquel
1.1
4000
4.4
Otros (Fe-Bo,Fe-Ti,Fe-Va…)
2.3
600
1.4
Total ferroaleaciones
27.6

22.6

El flujo total de carbono requerido para producir las ferroaleaciones de la Tabla  sería de casi 23 × 106 t / año, una parte sustancial del carbón vegetal anual producido actualmente.
Los electrodos de carbono son generalmente fabricados a partir de grafito, sin embargo se pueden fabricar también a partir de carbón activado, que se obtiene fácilmente del carbón. Los electrodos de grafito se utilizan para la fusión de chatarra de hierro y acero en hornos de arco eléctrico. La producción mundial de grafito sintético primario fue de 1,5 Mt / año en 2011 después de crecer un 5% por año desde 2001, por lo tanto la producción de grafito sintético primario debió ser de aproximadamente 1 Mt / año en 2005.
En una economía post-carbono, el grafito podría fabricarse siguiendo estos pasos:
Madera →  carbón vegetal → coque horneado → grafitización
La producción de carbón no requiere insumos de energía, excepto para el transporte y la molienda. El proceso desde carbón vegetal a coque es exotérmico debido a la producción de gas de coque (o “gas ciudad”), a través de estas reacciones:
2C (s) + O2 → 2 CO         (exotérmica)
C (s) + H2O (g) → CO + H2     (endotérmica)
C + 2 H2O → CO2 + 2 H2         (endotérmica)
CO + H2O → CO2 + H2         (exotérmica)
Las tres primeras son reacciones de “gasificación” que están también al principio de casi todos los procesos de síntesis de hidrocarburos a partir de carbono (como el proceso “coal to olefins” y el proceso Fischer-Tropp).
Supondremos 1,33 toneladas de carbón por tonelada métrica de grafito producido si el carbón tiene 75% de contenido de carbono. La entrada de energía para el horneado es de hasta 11 GJ / t y la grafitización requiere 20.9 GJ / t. Con estos datos, es posible calcular el coste energético de producir electrodos de grafito en una economía post-carbono (1 GW). El nivel de producción sintética de grafito primaria 2005 podría mantenerse mediante el uso de unos 3,6 × 106 t / año de biomasa.

Minerales no metálicos


El sector de minerales no metálicos se compone de los sectores de cemento, cerámica, vidrio y cal. Son todos sectores manufactureros tradicionales, bien establecidos, que se caracterizan por la transformación de minerales abundantes como la piedra caliza, sílice y arcillas, a través de un proceso intensivo en energía.
Los principales constituyentes de las materias primas necesarias para la producción de cemento son el óxido de calcio (CaO, procedente de cal), dióxido de silicio (SiO2), óxido de aluminio (Al2O3) y óxido de hierro (Fe2O3).
El proceso consiste en la trituración de minerales en bruto, calcinación, clinkerización y molienda final. La calcinación puede ser forzada por calentamiento eléctrico, y la clinkerización es un conjunto complejo de reacciones químicas a 1400-1500 ° C, donde se forma belita ((CaO)2SiO2) a partir de las materias primas, y se forma alita ((CaO)3SiO2) a partir de belita y óxido de calcio a través de la siguiente reacción:
(CaO)2SiO2 + CaO ↔ (CaO)3SiO2
Para calentar el horno se usan normalmente combustibles fósiles, sin embargo la clinkerización también se puede realizar en un horno eléctrico a condición de que la cal se funda por debajo de la superficie del baño antes de entrar en contacto con el electrodo de carbono del horno de arco, evitando así la producción de carburo de calcio.
http://wps.prenhall.com/wps/media/objects/2894/2964252/FG20_012.JPG
Fig. 12. Horno rotatorio de cemento típico. Es la pieza móvil más grande de la industria. Los materiales van cayendo hacia la llama de metano, que alcanza cerca de 1500ºC. Véase la animación en http://www2.cement.org/basics/images/flashtour.html

La mayor parte de la pérdida de calor de un horno industrial proviene de los gases de combustión calientes liberados por chimenea. En un horno de combustión de metano con un exceso de oxígeno típica del 5%, el 36% del calor se pierde por chimenea si la temperatura del horno es de 800 °C (el 80% si la temperatura es de 1.600 °C). Los gases de combustión son, por tanto, la causa de la baja eficiencia de los hornos de alta temperatura, tales como los hornos de cemento.
Fig. 13. Pérdidas de energía en función de la temperatura de los gases de combustión de un horno de gas natural

Para mitigar un poco la enorme pérdida de calor por chimenea, en muchos modelos se recicla el calor de los gases de combustión para precalentar el material que entra en el horno. Esto permite elevar algo la eficiencia, hasta alrededor del 60-65%.
Un futuro horno 100% eléctrico podría mejorar mucho la eficiencia al evitar la emisión de gases calientes. La recirculación interior de gas caliente, que es útil para homogeneizar la temperatura, se puede forzar con ventiladores eléctricos. Los hornos eléctricos domésticos utilizan actualmente este principio y son capaces de alcanzar eficiencias anuales de utilización de combustible del 95% a casi el 100%. La principal diferencia entre estos hornos y los futuros hornos eléctricos industriales sería el mayor tamaño de estos últimos. Sin embargo, un tamaño más grande aumenta la relación volumen a superficie del horno, lo que disminuye las pérdidas de superficie y tiende a aumentar su eficiencia. Por lo tanto, en nuestros cálculos hemos utilizado una eficiencia del 97% para los futuros hornos industriales eléctricos.
El triturado, molienda y calcinación se pueden también hacer por medios eléctricos, por lo tanto, la producción de cemento puede, en principio, ser electrificada. Lo mismo es cierto para la producción de cal, que consiste en pasos similares a los del cemento, pero sin clinkerización.
En la producción de cerámica, las materias primas se mezclan y funden, y luego se prensan ​​o extruyen hasta su forma final. Se usa agua para la mezcla y moldeado completos. Esta agua se evapora en secadores y los productos se colocan ya sea a mano en el horno o se colocan en carros que se transfieren a hornos de funcionamiento continuo. En la mayoría de los casos, los hornos se calientan con gas natural, pero también se utilizan en la industria gases licuados del petróleo, fuel oil, carbón, coque de petróleo, biogas o biomasa, y electricidad.
Todos los pasos citados se podrían hacer con electricidad, en principio.
En la producción de vidrio, arena de sílice y vidrios de desecho reciclados, mezclados con un conjunto de materiales intermedios y modificadores (tales como carbonato de sodio (Na2CO3), dolomita (CaCO3.MgCO3) y otras sales inorgánicas) y agentes colorantes / decolorantes (tales como óxido de hierro (Fe2O3), carbono o pirita) se mezclan con un agente fundente, normalmente óxido de sodio, se calientan en un horno a 1350-1.500 ° C y se funden.
Esencialmente, el sílice de la arena se combina con el óxido de sodio y con otros materiales de la mezcla para formar silicatos. El calentamiento en horno eléctrico es una de las técnicas comúnmente utilizadas en esta industria, la cual podría ser completamente electrificada, en principio.

Obras de minería, bosques y construcción en campo abierto


Los trabajos realizado en terreno abierto para la extracción de madera, la construcción y la minería tendrán que ser totalmente electrificados. A este respecto, los volquetes y tractores móviles eléctricos tendrán más limitaciones que las que funcionan con combustible, y el trabajo en campo abierto, por tanto, tendrá que ser planificado de una manera diferente. Por ejemplo, se requerirá la instalación de conexiones temporales a la red, flotas de vehículos (eléctricos) con menor autonomía y potencia, pero en mayor número que en la actualidad, y diferentes enfoques de diseño para la extracción y el transporte de cargas pesadas. Si examinamos un mapa con la distribución de las subestaciones de electricidad en España, que suministran energía a las aldeas y fábricas, podemos observar que, incluso en las regiones menos densamente pobladas (La Mancha) ningún punto del mapa está más lejos de 40 km de una subestación y que los pueblos con un suministro eléctrico se puede encontrar en un máximo de unos 20 km.
Fig. Subestaciones de transformación (puntos negros en el mapa) en torno a Huescar, en La Mancha
Por lo tanto, cualquier proyecto de minería o construcción fuera de las áreas urbanas tendrá que incluir la construcción de una línea de conexión eléctrica (de hasta 40 km en España, tal vez más larga en algunos países en desarrollo) a la sub-estación de energía más cercana.
Una vez instalada la conexión, una gran parte de la maquinaria pesada podría ser conectada a la red como lo hacen de hecho actualmente muchas excavadoras dragalinas, palas mecánicas gigantes y excavadoras de rodete utilizadas en la minería.
https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/6/6a/Bagger-garzweiler.jpg/1280px-Bagger-garzweiler.jpg
Fig. 14. La mega-excavadora de rodetes Bagger 288, que se alimenta de 17 MW de electricidad tomada de la red. Esta clase de excavadoras son los objetos móviles terrestres más grandes construidos.

El transporte de cargas moderadas podría hacerse mediante una flota de vehículos eléctricos, ya que la recarga de la batería podría ser tan frecuente como sea necesario, y muchos vehículos eléctricos estarían trabajando mientras otros están recargando. Por último, el transporte de cargas pesadas en orografía compleja podría utilizar vehículos propulsados por ​​pilas de combustible.

Sector químico y petroquímico


El sector químico y petroquímico es el que más energía utiliza de la industria, 1057-1075 GW en 2005, incluyendo la que está incorporada en sus materias primas (petróleo, carbón y gas) (Tabla 9). Alrededor del 50% de esta energía, 544 GW, se utiliza para producir productos químicos de alto valor (HVC), principalmente olefinas (etileno, propileno y butileno) y aromáticos (benceno, tolueno y xilenos). Otras fracciones importantes se utilizan para la producción de amoníaco (188 GW), y para la producción de metanol (37 GW). A partir de estos productos químicos primarios, se fabrican un gran número de productos químicos secundarios y productos finales, mediante procesamiento y polimerización, que consume el 4% de la energía sector (44 GW).
La producción de HVC se basa actualmente en la nafta, uno de los principales derivados del petróleo. Sin embargo, hay recientemente un aumento de la producción basada en carbón, principalmente en China, donde muchos carbones son más baratos que el petróleo. El 84% de la energía entrante se incorpora en los productos orgánicos finales, y 16% de la misma se utiliza en el proceso de producción. La segunda fracción podría en cierta medida electrificarse, pero la primera se basa en los derivados del petróleo o el carbón.
En 2004, 494 GW fueron utilizados para producir todas las olefinas y aromáticos (Tabla 6).
Tabla 6. Uso de combustibles en el sector químico y petroquímico.

Esta tabla nos permite estimar los pesos que tienen la producción de diferentes HVC, amoniaco, metanol, otros productos químicos, así como el tratamiento de HVC y polimerización en el consumo de energía de este sector. Mientras que la electricidad consumida por el sector (ver Tabla 1) se ha supuesto que se distribuye entre los diferentes procesos en proporción con el peso correspondiente.
En una economía post-carbono, podría utilizarse el proceso carbón-a-olefinas para la producción de olefinas y aromáticos (HVC). Sin embargo, este proceso consume 4,1 toneladas de carbón por tonelada métrica de HVC producidos.
La producción de HVC fue de 287 × 106 t en 2004-2005 y, en una economía post-carbono, este nivel de producción requeriría alrededor de 1100 × 106 t de carbón vegetal renovable. Sin embargo, esta cifra es 3.7-4.6 veces el potencial renovable de producción de carbón estimada en la Sección 7.
Una ruta alternativa es desde gas natural a olefinas. Ren et al. estudiaron las tecnologías existentes y concluyeron que la ruta de metano a olefinas vía metanol y dimetil-éter, patentado por la empresa UOP, es la ruta más eficiente. Se consumen 1,61 t de metano y 29 GJ de energía adicional por tonelada métrica de HVC producidos. Este mismo estudio estima el costo energético de la ruta de nafta a HVC (18 GJ por tonelada métrica de CHV) y el de la ruta carbón a HVC (aproximadamente 45 GJ por tonelada métrica de CHV). Se excluye siempre la energía incorporada en la materia prima.
Fig. 15. Esquema simplificado de las rutas desde gas natural o carbón hasta olefinas (etileno y propileno)

El gasto total de energía para producir HVC en una economía post-carbono similar a la de 2004-2005 se estimó mediante la siguiente expresión:
wr = wfs (tg + tc)/to + (wfu+wel) [(29/18) (tg/to) + (45/18) (tc/to)]
donde wr es la potencia (vatios) demandados en una economía post-carbono; wfs, wfu, wel es la potencia incorporada en 2004-2005 en el proceso de producción, como materias primas, combustibles fósiles y electricidad, respectivamente; tg, tc son las masas de HVC que se pueden obtener a partir de biogás y carbón en una economía post-carbono, respectivamente; y to es la masa total de HVC producida en 2004-2005. Expresiones similares se utilizaron para estimar el gasto de energía para producir amoniaco, metanol, otros productos químicos, procesamiento de HVC y polimerización.
Potasa, fosfatos y amoníaco son los tres principales fertilizantes. El amoníaco es producido esencialmente del aire, el agua y el gas natural con un gran uso de energía. La producción de fosfato y de potasa requiere sales minerales que no son renovables.
En una economía post-carbono la producción de amoníaco podría basarse en el reformado con vapor de gas natural renovable. El proceso de síntesis puede ser descrita por las siguientes fórmulas:
0.88 CH4 + 1.26 Air + 1.24 H2O → 0.88 CO2 + N2 + 3 H2
(4)
N2 + 3 H2 → 2 NH3
(5)
El hidrógeno se recicla normalmente durante la reacción de síntesis (4). Una síntesis alternativa es a partir de hidrógeno y aire, directamente con la reacción (5).
El reformado del gas natural requiere 22,1 GJ de gas natural y 7-9 GJ de energía (las unidades son de poder calorífico inferior o PCI) por tonelada métrica de NH3 producido. Por lo tanto, se deben producir 65,6 millones de t / año de gas natural y 35,5 GW de electricidad para satisfacer los niveles de producción de amoniaco 2005.
Si se utiliza el proceso directo de la ecuación (5) no se consume gas natural, pero se requieren 169 GW de electricidad para producir electrolíticamente el hidrógeno necesario y esto se sumaría a los costos de la energía para el bombeo, refrigeración y calefacción, etcétera.
En la estimación de la demanda total de energía en un sector petroquímico futuro, suponemos que el procesamiento de olefinas y polimerización disminuye en la misma proporción que la producción de HVC, fhvc, donde fhvc = (tg + tc) / to.
Aquí tg se calcula a partir del potencial total de biogás disponible después de restar la masa requerida para la producción de amoníaco, y tc se calcula a partir del potencial total de carbón disponible después de restar la masa requerida para los procesos industriales que se muestran en la segunda columna de la Tabla 8.
El resultado final es que, para obtener el nivel de producción de HVC de 2004-2005, haría falta 3.7-4.6 veces el potencial renovable de producción de carbón estimado en la próxima sección. Esto sugiere que mantener el nivel actual de producción petroquímica puede ser inviable en una economía post-carbono, y que tendremos que reducir nuestro consumo actual.
También suponemos que en una economía post-carbono la producción de amoniaco inicialmente se mantiene igual a su valor en el período 2004-2005, pero disminuye en el largo plazo hasta el 15% de ese valor, ya que los usos externos a la agricultura demandan este porcentaje de la producción de amonio, y por tanto debemos mantenerlo en una futura economía con agricultura orgánica. Los dos resultados finales (628 y 785 GW) se muestran en la Tabla 5.
A partir de la polimerización de los HVC, la industria petroquímica fabrica una serie de productos finales importantes. Uno de ellos es el poliestireno, uno de los plásticos más utilizados (por ejemplo, en botellas, envases, cajas y materiales de embalaje), alcanzó una producción mundial de 14,6 millones de toneladas en 2014 y es una de las principales fuentes de desechos sólidos persistentes.
http://4.bp.blogspot.com/-fkNpp3qVxTs/Uga99SGu1uI/AAAAAAAAD8Q/_gcPlWLN6Ng/s1600/polyethylene+polymer.jpg
Fig. 16. Polimerización de olefinas

En una economía post-carbono se podría obtener a partir de ácido poliláctico (PLA), que normalmente se produce a partir de azúcar derivado de maíz, caña de azúcar y otras plantas. La producción mundial de azúcar fue de 180 millones de toneladas al año en 2014. Si se requieren alrededor de 1.1 a 1.8 toneladas de azúcar para producir 1 tonelada de ácido láctico y la conversión de ácido láctico en ácido poliláctico tuviera una eficiencia similar, el proceso demandaría una fracción importante de plantas comestibles, lo que tendría efectos indeseables en el precio de los alimentos. Sin embargo, la fermentación de la biomasa lignocelulósica también es posible  y, debido a su gran masa, podría ser una fuente fiable de ácido láctico. La eficiencia puede ser tan alta como 0,89 g de ácido láctico por gramo de xilano que, con un contenido de xilanos de 23%, que es típico del rastrojo de maíz, daría 1 t de ácido láctico por cada 5 t de rastrojo. Zia-ul-Haq informa de una relación de rendimiento similar (5,3: 1) para el proceso completo desde almidón de maíz y licor de sólidos fermentados a PLA. La biomasa leñosa probablemente estará completamente comprometida para calefacción y cocina tradicional, y demanda industrial de carbón vegetal. En 2005, se produjeron en todo el mundo 46.3 EJ de biomasa; de ello el 75% (34,7 EJ) se produjo en los países en desarrollo y satisface necesidades de calefacción y cocina tradicional. Si restamos el porcentaje de biomasa no-leñosa de este consumo (un 60% del mismo) del potencial global de la biomasa no leñosa (62,2 EJ / año), restan 27,5 EJ / año (unos 876 Mt / año), cantidad que sería suficiente para alimentar una producción de 175 Mt / año de PLA.
En cuanto a otros hidrocarburos (HC) para la industria química, el proceso de Fischer-Tropsch y reacciones de síntesis relacionadas son capaces de producir HC de diferentes contenidos de carbono, que van desde el metano a las ceras, a partir de monóxido de carbono e hidrógeno.
http://pubs.rsc.org/services/images/RSCpubs.ePlatform.Service.FreeContent.ImageService.svc/ImageService/Articleimage/2010/CC/b927060d/b927060d-f6.gif
Fig. 17. Proceso de Fischer-Tropsch para la síntesis de varios productos hidrocarbonados finales (en rojo) a partir de carbón

Los tintes son moléculas orgánicas producidas normalmente a partir de materias primas petroquímicas, y tienen una gran variedad. Sin embargo muchas de sus materias primas también se pueden obtener a partir del carbón, tal como, por ejemplo, el naftaleno y el benceno, las principales materias primas de la antraquinona, así como la anilina. Otros colorantes se obtienen directamente a partir de fuentes biológicas. Por lo tanto, la variedad de colorantes y sus tasas de producción probablemente disminuirán en una economía post-carbono, aunque no desaparecerían por completo.

La pintura se compone de pigmentos, disolventes, resinas y diversos aditivos. Los pigmentos dan el color de la pintura; los disolventes hacen que sea más fácil de aplicar; las resinas ayudan a secar; y los aditivos sirven para dar propiedades especiales a la pintura. Existen cientos de diferentes pigmentos, muchos de ellos moléculas inorgánicas. Los disolventes incluyen alcoholes minerales derivados del petróleo y disolventes aromáticos tales como benceno, alcoholes, ésteres, cetonas, y acetona. Las resinas sintéticas utilizadas más comúnmente son alquidos, acrílicos, epoxis y poliuretanos. Sin embargo, muchas resinas naturales se pueden también utilizar como una alternativa a las artificiales, por ejemplo las semillas de lino, coco, y aceites de soja. Los aditivos sirven para muchos propósitos y muchos son moléculas inorgánicas, tales como carbonato de calcio y silicato de aluminio, que simplemente dan cuerpo y masa a la pintura sin cambiar sus propiedades principales. Las resinas a base de poliuretano se obtienen en la actualidad a partir del petróleo, sin embargo, muchas otras resinas podrían utilizarse en lugar de poliuretano sin cambiar radicalmente el rendimiento de la pintura.
Algunas fibras sintéticas a base de poliuretano pueden ser sustituidas por fibras naturales, pero estas últimas carecen de las propiedades especiales de la primera, por ejemplo, la elasticidad excepcional del spandex. Los sellos de poliuretano, juntas, bujes de suspensión automotriz, compuestos de encapsulación eléctricos y piezas de plástico duro para los instrumentos electrónicos probablemente pueden ser reemplazados con materiales biológicos tales como caucho, corcho, plástico y ácido poliláctico. Pero no hay una clara alternativa para otros servicios prestados por el poliuretano, tales como: asientos de espuma de alta resiliencia; paneles de aislamiento de espuma rígida; ruedas y neumáticos elastoméricos duraderos; condones; y mangueras.
Los tensioactivos se suelen producir a partir de materias primas petroquímicas, como el benceno, sin embargo, recientemente se han fabricado también a partir de materias primas renovables tales como alcoholes grasos de los aceites vegetales y D-glucosa a partir de almidón.
Materias primas no petroquímicas alternativas son difíciles de encontrar para algunos subsectores, como los productos farmacéuticos; existen sustitutos parciales de otros sectores, como los hidrocarburos para la industria química; y puede haber alternativas disponibles para los demás sectores.
Casi el 99% de las materias primas y los reactivos farmacéuticos se derivan de los productos petroquímicos. Hay tantos fármacos que utilizan materias primas petroquímicas que la posibilidad de sustitución de todos ellos es incierta, y esto podría dar lugar a riesgos para la salud específicos. Sin embargo, la buena noticia es que los productos farmacéuticos representan una proporción relativamente pequeña del consumo de petróleo total del sector petroquímico (alrededor del 3%), por lo tanto, el suministro de materias primas petroquímicas podría estar disponible durante un largo período después de que el petróleo fuera abandonado como fuente de materia prima dominante, lo que nos da algo de tiempo para la búsqueda de otros sustitutos. Habría que encontrar procesos de síntesis alternativos con especial urgencia para analgésicos, antidepresivos, antihiperlipidémicos, agentes antidiabéticos, antieméticos y antihistamínicos, ya que estos son los fármacos más utilizados.
Otros productos derivados del petróleo son relativamente menos importantes para la calidad de vida, por ejemplo, los cosméticos. La escasez de algunos cosméticos específicos es probable pero su función general, mejorar el aspecto y el olor del cuerpo humano, se puede satisfacer mediante el uso de cosméticos naturales y otros sustitutos.
La tabla 7 muestra una lista de los principales productos petroquímicos y sus posibles sustitutos en una economía post-carbono. Se ha añadido un asterisco a los productos con sustitutos parciales; y dos asteriscos para los productos sin sustitutos conocidos capaces de proporcionar un servicio similar.

Tabla 7. Principales productos petroquímicos y sus potenciales sustitutos
Product
Substitute
Methane
Biological methane (from urban and crop wastes)
HVC and organics for industry *
CTO, Fischer-Tropsch synthesis, catalytic synthesis (from charcoal derived from woody biomass)
Asphalt
Bioasphalt (from biomass)
Polystyrene (plastic #6)
Biofoam from polylactic acid (from biomass)
Epoxy resins
Vegetable oil epoxy resins (from vegetable oils)
Polyethylene, polypropylene, common plastics
Glass (from sand), casein plastic (from milk), keratin plastic (from chicken feathers), liquid wood (from lignin of biomass), polyhydroxyalkanoate (PHA) polyesters (from sugars of biomass), Polylactic acid (from sugars of biomass)
Vinyls, acrylics
Alkyd resins from fatty acids and triglyceride oils
(from vegetable oils)
Polycarbonate *
Ecozen (from aromatics and corn extract)
Pesticides
Biopesticides, biological pest control, composted yard waste, polyculture, natural acids (vinegar, lemon juice), magnesium sulfate
Plastic bags, packaging
Paper bags, starch based polymers, bioplastic
Fertilizers
Compost, recycled animal and human faeces, wood ash, leguminous plants. Organic farming
Food preservatives
Lactic acid, nitrates, nitrites, sulfur dioxide, sulfites, sorbic acid, ascorbates, tocopherol, citric acid, hops, salt, sugar, vinegar, alcohol
Polyurethanes *
Tung oil (from tung tree), Linseed oil (from flax plants), Bioshield Hard Oil (from conifers, tung, flax, and castor plants), Hardwood Floor Oil (tree resins and vegetable oils), cotton
Polyester *
Cotton, wool
Polyamide resins
Natural polyamides
Nylons
Rayon, silk, nylon from charcoal benzene
Lubricants
Vegetable oils, hydrogenated polyolefins, esters, silicones, grease
Glycerin
Vegetable glycerin
Organocatalysts
Synthetic organocatalysts
Adhesives and sealants *
Bioadhesives
Paints
Polyurethane free paints
Corrosion control chemicals
Tannins, organic amino acids, alkaloids, and organic dyes of plant origin
Cosmetics
Natural cosmetics
Pharmaceutical drugs **
Unknown for many drugs. Possible synthetic production of analgesics, antidepressants, antihyperlipidemics, antidiabetic agents, antiemetics, and antihistamines
Inks, dyes, printing supplies *
Natural dyes, inorganic pigments, charcoal-based feedstocks
Surfactants and cleaning agents
Surfactants from agricultural co-products

7. Materiales renovables y electricidad necesarios en una economía post-carbono


En una economía post-carbono habrá que producir carbón vegetal y biogás en mayores cantidades que en la actualidad, con el fin de compensar el declive de carbón fósil, petróleo y gas. Ese aumento de producción debería proceder 100% de biomasa renovable. Los gobiernos tendrán que promover que esto sea así mediante leyes que prohíban el cultivo de plantas para biocombustibles y biogás, y la tala no renovable. Si los gobiernos no se involucran en esto, es probable que la producción de materias primas biológicas compita con la agricultura, como actualmente está sucediendo en los EE.UU., Indonesia, África y otras regiones. La tala de selvas tropicales para la producción de aceite de colza y de palma está destruyendo la biodiversidad y liberando de 17 a 420 veces más CO2 que la reducción de gases invernadero que estos biocombustibles proporcionarían al desplazar los combustibles fósiles.
La economía estacionaria post-carbono que sugerimos en la Introducción evitaría estos problemas ya que la explotación de la madera y los residuos agrícolas (necesario para la producción de carbón de leña y biogás) sería estacionaria y sostenible, y utilizaría residuos animales y agrícolas para producir biogás. Si nos centramos exclusivamente en la explotación sostenible de los bosques templados y tropicales, hasta 3 t / ha / año de biomasa de madera podría extraerse de estos bosques manteniendo la estacionariedad.
El contenido de carbono de la madera tropical es un 47,3% en promedio y similar en la madera templada. Los bosques ocupaban 4000 millones de Ha en 2012. Suponiendo que el 10% de esta extensión fuera sosteniblemente explotada para la extracción de madera, y dado que para producir 1 t de carbón hacen falta unas 5 t de madera, se podrían producir 240 millones de toneladas anuales de carbón, casi 5 veces la producción actual.
Una estimación algo más precisa se puede hacer a partir del potencial de biomasa renovable, que se ha estimado en unos 103,8 EJ / año, 40% de ellos procedentes de la biomasa de madera. El consumo mundial de biomasa para cocinar, calefacción, y las actividades relacionadas con la madera industrial era 46.3 EJ / año en el año 2005, el 75% de la misma en los países en desarrollo y el 25% en los países desarrollados. Suponiendo que estos usos finales son inflexibles, y teniendo en cuenta que el 40% de la biomasa utilizada proviene de la madera, 18,5 EJ / año de consumo de madera se debe reservar para estos usos finales y 23 EJ / año de madera estaría disponible para otros usos industriales, lo que equivale a 1,2 x 109 t / año de madera seca si tenemos 19.000 kJ / kg y cuando el contenido de calor de la madera seca. Suponiendo de nuevo 5 toneladas de madera de 1 t de carbón vegetal producido, 1,2 × 109 t / año de madera podría ser suficiente para producir 240 × 106 t / año de carbón vegetal, el mismo resultado que en nuestra estimación anterior.
Los rendimientos de un horno Casamance o una carbonera de montículo tradicional bien manejados son algo más altos que el promedio mundial actual, alrededor del 25%, por lo tanto, el potencial anterior podría aumentarse a 300 × 106 t / año si los gobiernos futuros estimulan el uso de las mejores tecnologías disponibles.
https://energypedia.info/images/thumb/7/7c/Meule_casamancaise.jpeg.JPG/340px-Meule_casamancaise.jpeg.JPG http://www.fao.org/docrep/x5328e/x5328e04.gif
Fig. 18. Horno Casamance y detalles de su construcción.

Por último, esta cifra podría aumentarse en un 6% adicional si los gobiernos de América del Norte y Europa forzaran la sustitución del combustible de madera por calefacción eléctrica.
El metano obtenido a partir de biogás podría ser una fuente alternativa de agente reductor para ferroaleaciones y otros metales. En el futuro, los cultivos energéticos competirían en el uso del suelo con la producción de alimentos y por lo tanto se deben evitar, sin embargo el biogás podría ser obtenido de los residuos de cultivos y los residuos urbanos. La producción mundial actual de metano a partir de biogás es sólo 20-26 × 106 t / año, pero el potencial mundial se ha estimado en aproximadamente 900 × 109 m3 o, equivalentemente, 600 × 106 t / año. Si sólo la Unión Europea, EE.UU. y China fueran capaces de hacer las inversiones necesarias para el desarrollo de la nueva infraestructura de biogás, el potencial de producción de CH4 sería aproximadamente de 215 × 106 t / año.
http://www.biodisol.com/wp-content/uploads/2010/01/digestion-anaerobia-biodigestor-para-produccion-de-biogas.jpg
Fig. 19. Digestor anaerobio de basura orgánica para la producción de biogás y de biofertilizantes

Como consecuencia, los niveles actuales de estaño, plomo, zinc y la producción de ferroaleaciones podrían ser suministrados a través del uso de carbón o metano con una pequeña expansión de los niveles actuales de producción de biomasa leñosa y biogás.
La producción de carbón y gas natural no requieren molienda de rocas, excavación subterránea ni ventilación forzada, las cuales consumen mucha energía. La energía necesaria para suministrar el carbono reductor a partir de carbón no debería ser mayor que la actualmente necesaria para extraerlo
de la minería.
La producción de HVC es el sector más exigente en cuanto a carbón y el gas natural. Después de descontar 65,6 × 106 t de gas natural necesario para la producción de amoníaco, quedan 149,4 × 106 t de CH4, que permitirían la producción de 92,6 × 106 t de HVC. Si necesitamos producir 287 × 106 t de HVC, 194 × 106 t debe ser producido a partir de carbón. Teniendo en cuenta que 4,1 toneladas de carbono son necesarios para producir 1 t de HVC y suponiendo un contenido de carbono del 75% en el carbón, encontramos que serían necesarias 1063 × 106 toneladas de carbón vegetal.
La Tabla 6 resume la producción de carbón vegetal, hidrógeno y biogás necesarios para los diferentes sectores, si una sociedad post-carbono tuviera que alcanzar el mismo nivel de producción que la economía de 2005. Se indica también la producción mundial de carbón de leña y biogás que es probable obtener en una forma renovable. El carbón industrial de alta calidad tiene 75% de contenido de carbono, y se ha utilizado un factor de 1,33 para traducir carbono requerido a carbón vegetal utilizado en cada sector.
Como puede verse en esta tabla, el carbón necesario para una futura economía post-carbono es de aproximadamente 4 veces por encima del potencial global. Esto implica que, si se respeta la demanda de carbón de las industrias de metales, sólo el 45% -49% de los HVC producidos en 2005 (40-43% de lo producido en 2012) podrían ser producidos en una economía post-carbono, 92,6 × 106 t a partir de biogás y 37,7 a 48,7 × 106 t a partir de carbón vegetal.
Las rutas desde carbón y gas natural a HVC también son más caras energéticamente: 45 GJ por tonelada de HVC producidos y 29 GJ por tonelada de HVC producidos, respectivamente, a ser comparados con 18 GJ por tonelada de HVC producido con la ruta convencional de la nafta (energía de materias primas no incluida). Si tenemos en cuenta estos factores, las cantidades de carbón de leña y biogás disponible y las cantidades de carbón y de gas que se utilizarán para la producción de HVC (Tabla 8), y se comparan con la energía utilizada en 2004-2005 para producir HVC, encontramos que se requerirían 544 GW, que se añaden al coste de la energía de producir amoníaco, etanol y todos los demás productos petroquímicos.
Vamos a suponer que, en una economía post-carbono, la producción de amoníaco inicialmente será el mismo que en 2005 (177 GW); pero que disminuye al 15% de esta cifra tras la aplicación en el futuro de una agricultura orgánica. Se espera que un 15% del amoniaco actualmente producido seguirá siendo necesario para el procesamiento de fibras textiles, producción de ácido nítrico, refrigeración para el almacenamiento a granel de alimentos, purificación del agua, agentes antimicrobianos, producción de caucho, placas de metal, y otros usos. Vamos a suponer también que las otras actividades petroquímicas diferentes de la producción de HVC y amoníaco disminuirán en la misma proporción (45%) que la disminución de HVC. Con estos supuestos, el consumo total de un sector petroquímico futuro asciende a 785 GW, disminuyendo a 628 GW, cuando se implementara una agricultura 100% orgánica.
La tabla 8 resume los cálculos de materiales renovables necesarios para los diferentes sectores de una futura economía post-carbono.

Tabla 8. Producción de carbón vegetal, hidrógeno y biogás requerida para los diferentes sectores, si la sociedad post-carbono tuviera que lograr los mismos niveles de producción que la economía de 2005. Las segundas cifras en la tercera columna representan la potencia eléctrica necesaria para producir el hidrógeno

La tabla 9 agrupa los cálculos de la energía necesaria para todos los sectores de una futura economía post-carbono. La energía necesaria para la producción de hidrógeno futuro en algunos sectores se incluye en la casilla correspondiente de la columna 3. La energía utilizada para el refinado y la producción de materias primas energéticas (958 GW) no se ha incluido en esta tabla ya que forma parte de la contabilidad de la energía primaria, y no de la energía secundaria o utilizada en los usos finales.
Una fracción importante de la energía consumida por los sectores químico y petroquímico (759 GW) está incorporado en las materias primas energéticas que usa este sector, así como 34 GW de carbón que va a parar a la fabricación de productos químicos, grafito y acero, que se han tenido en cuenta de manera implícita en "Química y Petroquímica" (26 GW), o incluido explícitamente en "metales no ferrosos" (1 GW) y "hierro y acero" (4,8 GW).

USO FINAL
Potencia 2005
(GW)
Potencia futura
(GW)
Residencial y Comercial
3 800
2 954
Agricult, bosques, pesca
240
188
Transporte


Terrestre
2 100
893
Ferroviario
73
52
Marino
285
830
Aéreo
330
696
Pipelines
90
0
Total Transporte
2 900
2471
Industria


Madera y sus productos
42
36
Equipos de transporte y maquinaria
45+129
39+111
Construcción
47
27
Minas y canteras
72
14
Textil y cuero
72
64
Charcoal, biogas
Incluidos en otros sectores
>541 a >596
Metales no-ferrosos
115 + 1
115 +1 +1.6+0.2
Comida y tabaco
190
163
Papel, pulpa, impresión
216
173
Minerales no-metálicos
350
236
Hierro y acero
476 + 4.8
720 + 4.8
Química y petroquímica
1057
628 a 785
Otros
588
424.5
Total Industria
3405
3292 a 3504
TOTAL
10 343
8912 a 9124
Tabla 9. Potencia media anual demandada por la economía de 2005 y por una futura economía post-carbono
Sin petróleo, el sector petroquímico deberá reducirse al 45%-49% del tamaño que tenía en 2005, por lo cual el cálculo energético de este sector ha tenido en cuenta tal reducción de tamaño.

8. Conclusiones


El presente análisis muestra que una futura sociedad post-carbono parece capaz de sostener una economía desarrollada industrial, si las inversiones necesarias para poner en práctica las sustituciones necesarias se hacen. Una economía post-carbono basada en el uso directo de electricidad y materiales renovables parece capaz de ofrecer servicios similares a los de la economía de 2005, salvo en el sector petroquímico, que debería retroceder al nivel de actividad de 1985. Para conseguir eso debería utilizar inicialmente 9.1 TW y 8.9 TW posteriormente tras la implementación de una agricultura completamente orgánica. Así pues, se requeriría el 87% de la energía consumida en 2005 para suministrar tales servicios.
Por otra parte, una economía global completamente electrificada  pondría los suministros finitos de cobre, níquel, litio y platino bajo una presión creciente y no podría funcionar con una potencia media anual muy superior a 12 TWe. Por lo tanto, una economía post-carbono tendrá que adaptarse, más temprano que tarde, a un consumo fijo de energía y materiales. Tal economía deberá adaptar su crecimiento a las mejoras de las eficiencias y a la disponibilidad de nuevas fuentes de energía y materias primas, y no al revés. Esto requerirá transformaciones estructurales del capitalismo tal como lo conocemos y, muy probablemente, una economía post-capitalista.
Ya va siendo hora de dejar de considerar el fin del capitalismo como el fin del mundo, pero el tránsito a un modo de producción diferente será probablemente muy doloroso, por las inercias institucionales y el enorme poder que han acumulado los grandes propietarios, principales interesados en mantener el BAU.
En las próximas décadas el crecimiento económico de los países en desarrollo podría aumentar el consumo mundial de energía hasta los 460-520 EJ / año en 2030. Este rango es equivalente a 14,6 a 16,5 TW, o 12,7 a 14,4 TW si los servicios se suministraran con una economía post-carbono. Si aceptamos que un nivel sostenible de suministro de energía final no está muy por encima de 12 TW de electricidad y nuevas materias primas y 1 TW de biomasa tradicional, la conclusión es que en 2030 la economía puede estar en el límite de lo que es sostenible.
Además, la población mundial continúa creciendo y, según el escenario intermedio de la ONU, crecerá desde los 6520 millones en 2005 hasta 8500 millones en 2030, 9725 millones en 2050 y 11200 millones en 2100. Si queremos mantener la misma energía per cápita que en 2005, la producción energética tendría que ser 13.4 TW, 15.4 TW y 17.7 TW en 2030, 2050 y 2100, respectivamente, o en su equivalente post-carbono, 11.7 TW, 13.4 TW y 15.4 TW. Así, incluso manteniendo un uso de energía por persona constante, el incremento de población esperado puede llevarnos a niveles insostenibles de producción energética después de 2050. Todo crecimiento por encima de los valores comentados nos llevaría a un decrecimiento forzado en una economía post-carbono.
Siempre que la economía del futuro sea capaz de adaptarse a un suministro de energía estacionaria, que la población pueda limitarse a menos de 9700 millones, y que el agua potable, los suelos y los bosques no alcancen antes puntos de no retorno, el análisis anterior muestra que los principales procesos económicos podrían, en principio, ser sustituidos por alternativas sostenibles basados en electricidad, carbón vegetal, biogás e hidrógeno. Y contrariamente a las expectativas más pesimistas, aquellos servicios que no pueden ser reemplazados, no son tan cruciales como para causar un retorno a una sociedad preindustrial.
Las energías renovables (ER) son energías físicas y en muchos sectores económicos, como el transporte, la gente demanda servicios esencialmente físicos también. La conversión de ER a energía química y luego de vuelta otra vez a energía física desperdicia una fracción importante de la ER inicial, y debería ser evitada a través de uso directo de electricidad en el transporte. Esto implica evitar el uso del hidrógeno en el transporte, excepto cuando son imposibles la conexión a la red o el uso de baterías, por ejemplo, en la aviación, el transporte y los vehículos especiales (de emergencia).
Aun así, las limitadas reservas de Li, Ni y Pt hacen que el número de vehículos que circulan actualmente sean el máximo que una futura economía post-carbono podría sostener, y el número de vehículos comerciales con pila de combustible debería estar limitado al 10% del número actual de vehículos comerciales. La misma fracción es la que podríamos permitirnos de tractores con pilas de combustible. Para limitar el uso de camiones a ese número parece necesario reorganizar el actual transporte terrestre dando un mayor peso al transporte ferroviario.
Una futura aviación a base de hidrógeno tendría un consumo de energía más grande que los trenes y cercano al del transporte por carretera. Pero la aviación es menos eficiente energéticamente que los vehículos, trenes y barcos para el transporte de personas y mercancías, por lo que el uso de aviones podría disminuir en importancia en el futuro en favor de los otros medios de transporte.
La minería en una economía post-carbono parece sostenible en el corto y medio plazo, pero no es sostenible en el largo plazo debido a la disminución de las leyes del mineral. Por lo tanto, una economía post-carbono totalmente sostenible debería basar cada vez más su producción de minerales en el reciclaje.
Si se hacen las inversiones necesarias, una economía post-carbono proporcionaría servicios similares a las economías contemporáneas en la mayoría de los sectores, pero usaría menos aviones, menos camiones, más trenes, un tendido eléctrico más denso y una cantidad de plásticos similar a la de 1985. Todo ello no tiene nada que ver con una economía pre-industrial.
La agricultura no es sostenible en la actualidad debido a su dependencia de los combustibles fósiles y de minerales como el fósforo y el potasio. En una economía post-carbono, la agricultura orgánica puede que sea la única solución sostenible capaz de (casi) totalmente reciclar estos nutrientes esenciales. Sin embargo, algunos estudios estiman que la población está ya por encima de lo que es sostenible orgánicamente, lo cual implicaría una disminución obligada de la población a largo plazo hasta valores por debajo de los 7000 millones de personas.

9. Corolario


Algunas opiniones en foros de discusión sobre energía exageran sistemáticamente la importancia del petróleo, como si éste, que es ciertamente dominante en el transporte y en la petroquímica, fuera también el vector energético crucial para toda la economía. A la luz del presente análisis, tal idea es una mitificación.
¿Cuál es el origen de esa mitificación? Quizás sea que las historias sencillas que tienen un poco de verosimilitud se propagan más rápido en Internet que otras que requieren un trabajo grande en matizaciones. Pero la historia de que el petróleo es la clave y sinequanon de nuestra economía podría tener su función: si elevamos al petróleo a una posición tan determinante, su declive vendría a confirmar de manera fácilmente entendible la inevitabilidad de dejar de crecer y apostar urgentemente por el decrecimiento. Y el decrecimiento es cada vez más urgente en vista de las amenazas que el crecimiento capitalista está generando sobre la sostenibilidad de los ecosistemas, el clima, los suelos, los cultivos, el agua y la calidad de vida. Esta necesidad de decrecer y apostar por un estilo de vida más frugal está más que justificada, pero sería mucho más sólido si la defendiéramos usando directamente estas últimas razones, y no el espectro del colapso energético, que se puede evitar si se utilizan las renovables en todo su potencial.
En defensa del decrecimiento podríamos citar por ejemplo:
  • El tamaño finito de las reservas de metales que nutren la industria y que no podrán seguir expandiéndose indefinidamente, ni bajo una economía con combustibles fósiles ni bajo una economía renovable
  • La productividad de los principales granos, que tiende a saturarse en unos  7-8 t/ha, por más fertilizantes que les añadimos
  • El cénit del fósforo, que se espera para 2040-2050 (Cordell et al. 2009)
  • La degradación de los suelos: cada año 10 Mha de tierra cultivable es abandonada debido a su degradación por la sobreexplotación y los malos hábitos agrícolas
  • La presión insostenible sobre el agua dulce: 1.700 millones personas viven de acuíferos que declinan (Gleeson et al. 2012)
  • La pérdida suicida de la biodiversidad por culpa de la destrucción que el crecimiento del PIB y de la población provocan sobre los bosques
  • La probable aparición de puntos de no-retorno en los ecosistemas globales y locales entre 2025 y 2045 (Barnosky et al. 2012)
  • El cambio climático que, entre otras consecuencias, reducirá la productividad de los granos entre un 20 y un 40% hacia 2100 (IPCC)
  • El insostenible e injusto aumento de la desigualdad que provoca la acumulación capitalista

Fig. 20. Suelo en degradación
Como las amenazas anteriores son igual de importantes que el cénit de los combustibles fósiles, el decrecimiento es la única solución razonable que tenemos para todos ellos.
En mi opinión estos argumentos apoyan la necesidad del decrecimiento mucho más sólidamente que la historieta del petróleo como quintaesencia de la economía moderna. Porque, como hemos visto, el declive de los combustibles fósiles no tiene por qué provocar un colapso a corto plazo de la economía. La electricidad renovable, el carbón vegetal y el biogás están perfectamente capacitados para sustituirlos en lo esencial sin provocar cambios sustanciales en los servicios a los que estamos acostumbrados.

Referencias


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García-Olivares A.,2015 a.  Substituting silver in solar photovoltaics is feasible and allows for decentralization in smart regional grids, Environmental Innovation and Societal Transitions, doi:10.1016/j.eist.2015.05.004
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