¡Es la potencia, estúpido!

Imagen de http://www.holon.se/folke/kurs/Distans/Ekofys/fysbas/LOT/LOT.shtml

Queridos lectores,

En medio de la vorágine de compromisos y trabajo en la que estoy actualmente envuelto no tenía tiempo para pensar y escribir un post nuevo, y alguna cosa que tengo iniciada no está aún en una fase de estudio lo suficientemente madura como para lanzarme a publicarla. Así que estaba en un callejón sin salida. Y en esto viene mi colega Jordi Solé a mi despacho a intercambiar opiniones previas a un acto/debate en el que él iba en representación del OCO , y en medio de la conversación, comentando estrategias comunicativas para transmitir nuestro mensaje, surge un tema muy interesante y sobre el que merece mucho la pena discutir: la relación inversa que hay entre potencia y rendimiento, y por qué este fenómeno esconde principios profundos de la Física y en última instancia de lo absurdo de nuestro paradigma.

Este blog está dedicado a la crisis energética, comenzando por el peak oil, pasando por el pico de todo lo demás y acabando por la incapacidad de las renovables para cubrir el hueco que dejarán progresivamente todas las demás fuentes de energía no renovables. Solemos decir que el problema de la crisis energética viene causado por la falta de energía, pero en realidad tal descripción peca de inexacta. Del mismo modo que el problema del Peak Oil no es la falta de petróleo sino la incapacidad de extraerlo (o producir líquidos más o menos equivalentes) al ritmo creciente que necesitamos para mantener una economía basada en el crecimiento perpetuo, el problema de la crisis energética no es tanto el de tener suficiente energía disponible como el de no tener suficiente potencia disponible. Y es que en realidad lo que nos atormenta es poder mantener un flujo continuo de energía hacia nuestras actividades productivas, es decir, producir suficiente energía útil durante un período de tiempo concreto (extraer tantos millones de barriles al día, consumir tantos Exajulios de energía al año, etc). En suma, energía por cada unidad de tiempo. Por definición, potencia.

Hemos hablado varias veces aquí del Segundo Principio de la Termodinámica: lo enunciamos de una manera esquemática cuando discutimos el significado preciso del concepto "energía", e hicimos una discusión más específica sobre el concepto asociado de entropía. Si se acuerdan de aquella discusión, la entropía viene determinada por el peaje energético que tenemos que pagar en cualquier proceso de conversión de una fuente de energía en energía útil. Discutamos con un poco de detalle estos conceptos.

Según el Primer Principio de la Termodinámica, la energía de un sistema aislado se conserva, lo cual quiere decir que en última instancia la energía del Universo es constante (lo han oído mil veces, posiblemente sin entenderlo correctamente: "La energía ni se crea ni se destruye: solamente se transforma"). Pero, si la energía se conserva, ¿cómo es que hablamos de "fuentes de energia"? ¿Dónde va la energía de la gasolina, una vez la quemamos? Nosotros percibimos que la energía se pierde, de alguna manera, pero siempre nos han dicho que tal cosa no sucede, que la energía "se conserva". ¿Qué falla aquí?


En realidad, cuando hablamos de fuentes de energía nos falta añadir "útil para nosotros". Los abonados a las teorías de la conspiración suelen aducir que estamos rodeados de cantidades ingentes de energía, y en eso tienen toda la razón; en lo que se equivocan dramáticamente es en su presunción de que existen energías libres con aprovechamiento infinito. En realidad lo que llamamos "fuente de energía" es una "fuente de exergía". La exergía es la cantidad de energía de una determinada fuente que puede ser aprovechada para hacer trabajo útil, se sobreentiende que de acuerdo con nuestro criterio de utilidad. Cuando quemamos un litro de gasolina, conseguimos que su explosión accione un motor que hace que se mueva un coche o un camión y realiza un trabajo útil para nosotros (desplazarnos o desplazar mercancías). En el proceso, entre un 70 y un 80% de la energía que se libera en la combustión de gasolina se perderá directamente en forma de calor, es decir, se convertirá en movimiento aleatorio de partículas a escala atómica y molecular. La energía de los enlaces químicos que se han roto no se ha perdido pero se ha convertido en infinidad de movimientos moleculares, ahora más rápidos que antes gracias al aporte energético (y por eso percibimos que el motor está caliente, porque sus moléculas chocan a más velocidad, gracias al aporte energético extra de la combustión, con nuestra mano). Por otro lado, la energía mecánica que realmente se ha podido aprovechar para desplazar el coche se ha consumido en vencer el rozamiento del aire y de la fricción de las ruedas, en el esfuerzo por mantener el movimiento. Toda esa energía mecánica se ha perdido, por tanto, en acelerar movimientos caóticos en el aire, que en última instancia decaerán en movimientos de escala molecular (nuevamente, calor) y en acelerar las moléculas del asfalto y de la goma del neumático, lo que nuevamente es una transferencia de calor. Y así, en general, los procesos capaces de disipar la energía estructurada, de movimientos en la escala macroscópica que podemos ver con nuestros ojos, acaban reduciendo esos movimientos, sin pérdida de energía total, en calor y en subir la temperatura de los cuerpos.

Así pues, la energía en ningún momento se ha perdido. Pero esos movimientos anárquicos a escala molecular a nosotros no nos sirven de nada: no podemos convencer a esas moléculas que se mueven en todas direcciones a que de golpe se alineen todas en la misma dirección y que por tanto el cuerpo del que forman parte avance en la dirección que nos interesa. Así que la presencia de energía a nuestro alrededor, incluso de ingentes cantidades de energía (recuerden, e=mc2) no quiere decir que podamos poner toda esa energía a nuestro servicio. A "nuestro servicio" quiere decir extraer una cierta cantidad de energía y que pase algo que queremos (un pistón que se mueva, una palanca que se accione, etc). En suma, queremos extraer una cierta cantidad de exergía. Y así como el Primer Principio de la Termodinámica nos dicen que la energía se conserva, no dice nada sobre la exergía; la cual, por tanto, por lo que se refiere al Primer Principio tanto podría aumentar como disminuir, oscilar o hacer cualquier otra cosa. Sin embargo, la capacidad de extraer exergía de un medio energético sí que viene limitada por el Segundo Principio. Si queremos que una fuente de energía nos dé una cantidad máxima de exergía, tenemos que evitar al máximo todos los movimientos "parásitos" que se llevarán la energía a movimientos moleculares aleatorios y en última instancia a la producción de calor.


La situación de intentar maximizar la exergía producida por una fuente es similar a la de tomar un vaso de agua lleno hasta los topes e intentar pasar su contenido a otro vaso vacío volcando el primero cuidadosamente sobre el segundo. Si hacemos la operación de trasvase poco a poco, intentando evitar que el chorro sea demasiado rápido, evitaremos que el choque contra el fondo del vaso vacío y la agitación del líquido desemboque en derramar algo de agua. No obstante lo cual, por muy lenta y cuidadosamente que efectuemos la operación no podremos nunca evitar que parte del agua resbale por la parte exterior del primer vaso, debido a la tensión superficial del agua que hace que el agua se adhiera un poco a toda superficie, y acabe cayendo fuera; además, cuando el segundo vaso esté muy lleno el chorro de agua entrante generará oscilaciones de la superficie libre del agua que también favorecerán que se derrame por sus bordes. En suma, la imposibilidad de imponer un movimiento limitado a todas las partes del sistema (todas sus moléculas, para entendernos) hace que al movilizar todo el sistema igualmente una parte del movimiento se pierda en direcciones que no nos interesan; siempre va a haber una cierta pérdida. Eso es lo que dice, en suma, el Segundo Principio: en todo proceso de utilización de una fuente de energía para su conversión en exergía hay que pagar un peaje, una cierta cantidad de energía que se dispersa en movimientos aleatorios e inútiles. La cantidad de energía así dispersada será tanto mayor cuanto más libertad tenga el sistema para moverse al azar (que es lo que mide la entropía S), y cuanto mayor sea la energía aleatoria de partida (que es lo que mide la temperatura T). Así pues, el peaje de transformación viene dado por la variación del producto TS y a esta variación la llamaremos "calor".


La analogía del vaso de agua es útil porque ilustra dos puntos clave en los procesos de transformación de la energía. El primero es que, independientemente del tipo de fuente de energía y del proceso escogido para extraerle energía útil, habrá siempre un peaje a pagar, un "calor" a disipar. Últimamente he observado que algunos expertos locales en energía expresan sus reparos a que se aplique el Segundo Principio de la Termodinámica a máquinas no térmicas; más aún, parecen creer que el Segundo Principio es equivalente al Teorema de Carnot (teorema válido para máquinas térmicas, que fue discutido en profundidad por Luis Cosin). En realidad, el Segundo Principio se aplica a cualquier proceso de captación y transformación de energía, y tiene que ver con la falta de idealidad de los objetos reales en el mundo real: objetos cuyas superficies presentan fricción, cuyas moléculas se mueven a velocidades considerables (lo que denominamos temperatura) y cuyo comportamiento genérico macroscópico es sólo una buena aproximación a nuestra escala.



El otro punto clave que nos muestra la analogía del vaso de agua es que para conseguir la mayor transferencia de un vaso al otro, es decir, para conseguir maximizar la exergía, es necesario avanzar poco a poco. La razón para ello es bastante obvia: cada vez que yo perturbo la fuente para extraer exergía es como si yo abriera un grifo: si abro el grifo de golpe es más fácil que salpique; si voy abriendo  poco a poco, las salpicaduras serán mínimas. En un lenguaje más técnico, cuando se produce un gradiente o variación de la energía de la fuente hacia el exterior, tal aporte energético (que es lo único que podemos controlar) desencandenará todo tipo de reacciones en el medio externo; y estas reacciones será más violentas e impredecibles si inducimos un cambio más grande. Por tanto, la gradualidad es clave para conseguir que se pierda tan poca energía como sea posible. Esto es lo que en jerga termodinámica se denomina "proceso por sucesión de estados cuasiestáticos". Cuanto más suave y lento que vaya el proceso, mejor aprovechamiento y menor será el peaje de la entropía, como brillantemente ilustra el dibujo con el que se abre este post.

Y aquí llegamos al quiz de la cuestión. Porque si uno lo que requiere es potencia, entonces, como inexorable consecuencia del Segundo Principio de la Termodinámica, tendrá que aceptar una mayor perdida de exergía, es decir, una mayor pérdida de rendimiento. Esto es algo que cualquier conductor ha experimentado: a 140 Km/h un coche consume mucho más por kilómetro recorrido que yendo a 90 Km/h. Es decir, para hacer el mismo trabajo (recorrer unos kilómetros dados) el usar mayor potencia y acabar el trabajo antes implica también que se malgastará una mayor cantidad de energía que no será transformada en exergía y simplemente se perderá.


Nuestra sociedad, ya lo hemos dicho, necesita tener un consumo creciente para funcionar. Necesita que la producción de energía, y en realidad de cualquier otra cosa, crezca sin cesar. En suma, necesita que la potencia sea cada vez mayor. Por fuerza, esto implica que, llegado a un punto, el rendimiento sea inferior. Tal comportamiento se da a todas las escalas y en todo tipo de procesos. Si tratamos con cuidado un pozo petrolífero y vamos extrayendo el petróleo progresivamente, adaptándonos a las posibilidades del mismo, y sólo recurriendo a medidas drásticas como el bombeo de gas a presión por pozos secundarios cuando la producción baja demasiado, conseguiremos alargar su vida útil y extraer una mayor cantidad de petróleo del subsuelo; si, por el contrario, mi política de producción es muy agresiva y desde el principio fuerzo los pozos con métodos de recuperación mejorada, conseguiré que la producción suba muy rápidamente, pero degradaré rápidamente también la calidad del pozo y su desgaste, y el ritmo de decaimiento terminal será también muy rápido. Tenemos un buen ejemplo en las curvas de producción de petróleo del Reino Unido y de Noruega. Ambos países han explotado los campos del Mar del Norte, de donde sale el famoso Brent, pero con dos políticas bien dispares. El Reino Unido se lanzó a complacer al mercado, poniendo a su disposición tanto petróleo como quisiera. Noruega, por su parte, fue más conservadora en la producción de petróleo, fijando cuotas productivas de antemano en función de sus posibilidades de rentabilizar con inversiones diversificadas el dinero que ganasen con el petróleo y sin incentivar el despilfarro del oro negro en su propio país con las típicas políticas de combustible subsidiado para toda la población. Ambos países llegaron a sus respectivos Peak Oil prácticamente al mismo tiempo; sin embargo, sus gráficas de producción (como siempre, sacados de la web Flujos de Energía, que elabora estos gráficos con los datos del informe anual de BP) nos muestra un pasado y un futuro bien diferente para cada país:












¿Son mejores los campos de petróleo del lado noruego? No parece sensato pensar eso. No sólo el consumo del Reino Unido es mayor (es un país mucho más poblado que Noruega), sino que también su perfil de producción ha decaído muy rápido, casi el doble de rápido que el de los noruegos. Se ve, por tanto, que el incremento de potencia (energía producida al año) lleva no sólo a la pérdida de rendimiento energético actual sino también del del futuro.


Esta loca y suicida sociedad del consumo nos aboca a producir y producir sin reflexionar. Con esta consigna de producción a ultranza llega un momento en que se degradan rápidamente los recursos naturales, y no sólo los extractibles. La locura de producir sin parar es lo que ha llevado al desastre ecológico de la producción petrolífera a partir de las arenas bituminosas del Canadá y lo que está empujando por doquiera la locura del shale gas y el shale oil, apuntalados con la técnica brutal de la fractura hidráulica (hydrofracking o simplemente fracking). El rendimiento decreciente, muchas veces inexistente, de tales métodos es difícil de justificar, lo que es fácil de entender por lo expuesto arriba: aumento del ritmo de explotación implica una disminución de la ganancia de energía real, y por tanto de la económica. Estos métodos son un ejemplo más de la ley de los retornos decrecientes, y sólo dan escaso margen de tiempo al sistema productivo actual antes de que por fuerza tenga que colapsar. Lamentablemente, los daños causados por estos métodos son y serán mucho más duraderos.


Salu2,


AMT


P. Data: Cabe agradecerle a Jordi que me haya dejado "tomarle prestada" su idea, con la que seguro hará todavía un post interesante en su blog; imprescindible, por cierto, si saben Vds. catalán.


Tampoco quería dejar pasar el día de hoy, precisamente el día de hoy, sin rendir un sencillo homenaje a un buen amigo, y repetir su única pero genial aportación a este blog:

A Peak Oil Ideogram

sPeaking out
Hi.
Peak oil.
Peak everything.
Nobody wants to know.
It's quite simple though.
You start with a pristine planet.
Life outgrows itself eon after eon.
The Sun keeps shining. The rain keeps falling.
The plants keep growing, as do the animals, and dying.
Huge deposits of organic matter keep forming. Minerals just rest wherever.
Huge amounts of energy and chemical elements just lie there, buried for bilions of years.
The deposits of dead biomass turn soil first, then oil and gas under the immense pressure of the Earth's crust.
Then one day appears an ape, who learns to run on its legs first, then on wood, then on coal, then on oil and gas and uranium.
That's how we started to run out of things without any regard for them as they where so plentiful and we needed to outgrow ourselves - didn't we?
That's how enormous forests disappeared as did many species of animals, and that's how we managed to multiply in spite of killing each other.
We are still in the process of increasing our number while we can still burn wood, coal, oil, gas, uranium and hopes of growth.
But we face an inevitable prospect of decline as we run out of all known types of fuel and other materials we dig out.
There is absolutely no way at all that "renewable" sources of energy can substitute for fossile fuels and uranium.
The sheer amount of energy on which we depend nowadays, and the rarefying chemicals, can't be substituted for.
There are no technologies in sight of whatever kind that could substitute for a half of present needs.
Solar energy, wind farms, hydraulic power stations etc. combined can only supply a third of it.
On top of that most alternative, renewable technologies, depend on rarefying raw materials.
That's how the biggest bubble of all will burst sometime: that of human population.
The so-called global and sectorial crises and regional conflicts will worsen.
Countries are starting to run out of resources and labour.
Hardship, poverty, hunger and disease will ensue.
Unrest will spread from poorer to richer areas.
Energy supply will trail demand forever.
Same thing for minerals and foodstuff.
We may run ahead competing.
But then we are doomed.
We need to change.
We need less.
To survive.
Help us.
Bye.