> Grupo de apoyo sobre El agua y el futuro de la energía |
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La mayor parte del agua de lluvia cae en el mar, por su mayor superficie, y por ser el foco de la evaporación. En la tierra viene a caer aproximadamente la cuarta parte, es decir, unos 110.000 km3/año. |
II.
El ciclo del agua Toda el agua evaporada, antes o después, caerá a la superficie terrestre, en una forma u otra de condensación, fundamentalmente lluvia, aunque también hay que contar el granizo, la nieve, el rocío y la escarcha. Pero, ¿qué representa el dato anterior, en el contexto del inventario de agua del planeta?. En
la Tierra hay 1,5x109 km3 de agua aproximadamente,
la mayor parte de ella en los océanos (97%) constituyendo lo que
denominamos agua salada (pues es el depósito que va acumulando las sales
arrastradas por el agua fluyente; dado que las sales no se evaporan). El
otro 3% aproximadamente lo constituye la llamada agua dulce, que en su
mayor proporción (~79%)
está helada en los casquetes polares (más glaciares, etc). Del resto, el
20% es agua subterránea, que fluye lentamente hacia el mar o permanece
estancada por períodos largos, y va rellenándose con lo que permea de
las precipitaciones, y un 1%, que equivale a 370.000 km3,
constituye el agua superficial. De ésta, algo más del 50% está
contenida en lagos, un 1% en organismos vivos, un 8% en la atmósfera
(como vapor de agua) y el resto fluye por la superficie terrestre, aunque
de ella, no toda, sino una pequeña parte (algo superior al 2% de la
superficial) se puede considerar encauzada en ríos. Es importante discriminar entre lo que son valores de inventario, como los que acaban de referir, y los de flujo, que se deben expresar en caudal, y de los cuales es fundamental la cifra ya dada anteriormente: el caudal de evaporación/precipitación total es de unos 450.000 km3/año. |
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De lo que verdaderamente dispone el ser humano como precipitación primaria, es de unos 100.000 km3/año aproximadamente. |
La
mayor parte de esta agua cae en el mar, por su mayor superficie, y por ser
el foco de la evaporación. En la tierra viene a caer aproximadamente la
cuarta parte, es decir, unos 110.000 km3/año, muy heterogéneamente
repartido, según se sabe. Muy altas precipitaciones específicas (por m2)
se dan en las selvas tropicales y en las áreas monzónicas, y muy escasas
en los desiertos. Puede
comprobarse que el total inventariado de agua superficial (370.000 km3,
es del orden (un poco inferior) a la precipitación total anual, pero se ha
de tener en cuenta que dicha precipitación ha de ir rellenando también los
acuíferos subterráneos, que suponen más de 7 millones de km3,
que van fluyendo lentamente (e incluso no fluyendo, estancados) hacia el
mar. De lo que verdaderamente dispone el ser humano como precipitación primaria, es de los 100.000 km3/año que aproximadamente caen en la tierra, aunque de ellos una gran fracción (mayor de 4/5) es difícilmente aprovechable, aunque no imposible, al no quedar como agua encauzada y relativamente cercana a la civilización. Tomando dicha precipitación disponible como valor de referencia (unos 20.000 km3/año) podría decirse que, en media, y contando los 6.000 millones de personas que somos hoy día la humanidad, nos corresponden unos 300 m3 por habitante y año. En las zonas industrializadas el consumo es de unos 100 m3/hab.año, lo cual parece indicar, en teoría, que hay amplio margen para el crecimiento en el uso del agua, pero eso no es el objetivo fundamental de esta ponencia, si bien cabe formular unos breves comentarios al respecto:
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Por
supuesto, de muchas aplicaciones sobre todo agrícolas, y en menor
medida industriales, se desprende cierta cantidad de agua evaporada, e
incluso pasa eso con la sudoración y transpiración animal y vegetal.
Esto se trata en otras ponencias de esta Jornada. No obstante, en muchos
casos donde la captación de aguas se hace en sitios muy lejanos, no de
la misma cuenca donde se va a emplear, se produce una transferencia de
flujos que puede desecar unas cuencas en beneficio de otras; pero eso
tampoco es objeto de este análisis, centrado sobre las energías
renovables y el agua, de la que hemos visto su ciclo macroscópico, en
principio muy sobreabundante para las necesidades actuales, y que está
activado por la energía solar. |
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La potencia media antropogénica
actual (nuestro consumo artificial) es de 11,5 TW. La irradiación solar en la
biosfera alcanza aproximadamente |
III.
Energías renovables La
mayor parte de las energías renovables están activadas también por la
irradiación solar. No es éste el caso de la geotérmica ni la de las
mares, pero veremos a continuación que estas son marginales respecto al
conjunto energético que depende del sol. En lo cual hay un claro
paralelismo con el agua, que habrá que analizar. Como
referencia conviene recordar lo siguiente: la potencia media antropogénica
actual (nuestro consumo artificial) es de 11,5 TW. La irradiación solar
en la biosfera alcanza aproximadamente 105 TW (realmente algo más). La
potencia de la energía geogénica es de unos 30 TW, que comparado con la
última cifra es claramente despreciable. De hecho, no cabe sino
aprovecharla en lugares de excepcional actividad termotectónica, como son
las zonas volcánicas. La energía geotérmica se ha empleado desde la
antigüedad para baños termales, y a principios del siglo XX comenzó a
considerarse su uso para calefacción doméstica y comercial, en zonas
como Islandia. También se empleó para activar una central termoeléctrica
en Larderello, Italia, pero ese prototipo prácticamente no ha tenido réplica
ni seguimiento. Curiosamente, la energía geotérmica suele estar asociada
al agua, pues sin ella no hay forma de transferir el calor subterráneo
hasta la superficie. No obstante, tanto en su aspecto acuático como energético,
la incidencia de la energía geotérmica, a nivel de todo el globo, es
marginal. |
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El ciclo del agua puede considerarse el ciclo natural por antonomasia, y sin la acción de la radiación solar, dejaría de existir. |
También
resulta marginal la energía mareomotriz, que también tiene al agua como
agente energético, en este caso mecánico, no térmico. La potencia media
total es de unos 3 TW, también muy distribuida sobre el planeta, lógicamente
en las costas, aunque de manera muy desigual. En Francia, en cuyas costas
del canal de La Mancha las mareas son muy pronunciadas, se construyó en
los años 60 del siglo XX una central mareomotriz en el estuario de la
Rance. Aparte del considerable impacto ecológico en una zona de alto
interés biológico y turístico, el prototipo fue difícilmente
replicable, y la energía mareomotriz no tiene sino interés puntual en
algunos parajes, sin significación global en el contexto energético. Por
el contrario, la irradiación solar es nuestro máximo exponente de energía
y, además, la pieza fundamental de nuestro equilibrio termofísico. El
valor total de la potencia solar llegada a la biosfera es enorme, como ya
se ha dicho, del orden de 120.000 TW. El problema es que se distribuye
sobre los 500 millones de km2 de nuestra superficie (de manera
desigual, pero en todo caso, distribuida) por lo que la densidad
superficial de potencia incidente es de 240 W/m2 en valor
medio. Realmente este es un valor muy bajo, pues la temperatura de cuerpo
negro que le correspondería sería de 255 K, es decir, 180C
bajo cero. Y esa sería la temperatura media de nuestra superficie, que
estaría masivamente helada, si no existiera efecto invernadero, el cual
reatrapa en las capas bajas de la atmósfera una importante fracción de
los fotones emitidos por la Tierra, por lo que el valor real medio de
nuestro flujo superficial de radiación no es de 240 W/m2, sino
de 390 W/m2. A esta cifra le corresponde un valor de
temperatura de cuerpo negro de 288 K (15 0C) lo cual es prácticamente
la temperatura media de nuestra biosfera, afortunadamente para la vida. El
efecto invernadero lo producen las moléculas triatómicas y superiores, y
de modo señalado el vapor de agua, al que se puede atribuir
aproximadamente 2/3 del atrapamiento de la radiación antes citado (unos
100 W/m2, aunque en estas atribuciones se ha de ir con cierto
cuidado, pues los fenómenos meteorológicos son intrínsecamente
no-lineales, por lo que no existe verdaderamente una relación
proporcional entre variación de la causa y variación del efecto). La
segunda molécula en importancia en el efecto invernadero es la del CO2,
y de ella nos ocuparemos ahora, al hablar del ciclo del carbono, factor
esencial en la interacción de la luz solar con nuestro planeta, sobre
todo por lo que se refiere a la vida, aunque también por sus
consecuencias energéticas. |
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El efecto invernadero lo producen las moléculas triatómicas y superiores, y de modo señalado el vapor de agua, al que se puede atribuir aproximadamente 2/3 del atrapamiento de la radiación antes citado, unos 100 W/m2 |
El ciclo del carbono Hace
cientos de millones de años, más de mil incluso, la atmósfera de la
Tierra estaba fuertemente oxidada, sin que hubiera oxígeno elemental,
pues éste estaba combinado
con el carbono, en forma de CO2. El carbono también se hallaba
combinado con el hidrógeno, en forma de metano. La
aparición de formas de vida capaces de sintetizar hidratos de carbono y
otras moléculas orgánico-biológicas a partir de los constituyentes
antedichos de la atmósfera, fue reduciendo químicamente la molécula de
CO2, fijándose el carbono en materia sólida (incluidas las
rocas, en forma de carbonatos) y dando aparición a O2 libre.
Parte de él reaccionó con el H2 procedente de fijación del
carbono del metano, lo cual produjo agua adicional y se consumió parte
del oxígeno liberado. Aún así, quedó mucho en la atmósfera, un 21% en
fracción molar (siendo el resto prácticamente nitrógeno). Aunque
estemos absolutamente habituados a escuchar que en la atmósfera hay oxígeno
(afortunadamente, pues de él vivimos) lo cierto es que resulta
extremadamente sorprendente, desde el punto de vista químico, que haya oxígeno
molecular en nuestra naturaleza. El
oxígeno es el elemento oxidante por antonomasia, por la razón poderosísima
de que le falta un par de electrones en su capa electrónica externa, que
a su vez está muy cercana al núcleo, relativamente hablando a las capas
siguientes. Los electrones, por arcanos de nuestra constitución física,
gustan de ir emparejados, uno con el spin hacia arriba, el otro hacia
abajo, y ello casa especialmente bien con la apetencia del oxígeno por
llenar su par de huecos orbitales. De ahí que sea extremadamente
reactivo, y reaccione con todo lo que pueda reaccionar. De ahí que el
silicio se encuentre como SiO2, los metales se hallen también
oxidados, y salvo los elementos muy nobles (como los gases nobles y los
metales nobles) prácticamente todo haya reaccionado con el oxígeno. Más
que nadie el hidrógeno, formando agua. Por fortuna para nosotros, antes
del Cámbrico se produjo esa curiosa reducción química de la atmósfera
original, que estaba oxidada, y de lo cual se derivó un efecto
fundamental, la aparición de O2 elemental, y otro efecto que
hemos sabido aprovechar industrialmente: la fijación del carbono en
sustancias orgánicas que, una vez muertas y fosilizadas, han dado lugar
al carbón, el petróleo y gas, que no son sino consecuencias de la energía
solar de tiempos ancestrales, embotellada inicialmente en moléculas orgánicas
de alto valor energético, fosilizadas después. El
ciclo del carbono-CO2, tal como se da hoy día, está recogido
en la figura siguiente, reproducida más abajo. En
la atmósfera hay unas 2,75x1012 toneladas de CO2,
lo cual corresponde a una fracción molar de unos 360 ppm (partes por millón).
De ese CO2, los seres autótrofos terrestres absorben
aproximadamente 100x109 toneladas cada año, fijando el carbono
como materia orgánica, mediante fotosíntesis. Esas 100 Gton vuelven cada
año a la atmósfera, básicamente por dos mecanismos: la respiración de
las plantas y su degradación y putrefacción
en toda la cadena trófica, bacterias incluidas. El ciclo natural C-CO2
(vía terrestre) se mantendría de esa manera con un inventario estable.
Por supuesto, de ralentizarse o acelerarse cualquiera de los procesos
involucrados (fijación fotosintética, respiración, degradación) ello
repercutiría en el inventario con mayor o menor velocidad, según la
intensidad del fenómeno. Piénsese que cada año solo se recicla, a través
de esta vía, algo más de un 3% del CO2 total contenido en la
atmósfera. |
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La irradiación solar es el agente que activa los ciclos naturales, particularmente el del H2O y el del CO2. El primero emplea 36.000 TW de potencia, con lo cual se mantiene una cantidad de vapor en la atmósfera que es del orden de 6 gramos por kg de aire seco. |
Adicionalmente
hay un intercambio de CO2 entre la atmósfera y el mar, donde
también se produce una fijación fotosintética del carbono, a partir del
CO2 diluido en el agua. Como todos los gases, su solubilidad
decrece al aumentar la temperatura, de modo que si el mar se calentara
notablemente, desprendería CO2, lo cual haría aumentar el
inventario atmosférico. Hay
además otra vía por la que el CO2 puede aumentar, y es la
antropogénica, como consecuencia del CO2 producido en la
combustión de los combustibles fósiles. Actualmente se emiten casi 25
Gton de CO2 por esta causa, procedentes unos 10 del carbón, 11
del petróleo y derivados, y 4 del gas natural. Ello supone una perturbación
el 25% sobre el flujo natural del ciclo, lo cual ha provocado que la
fracción molar del CO2 en la atmósfera haya aumentado unos 50
ppm en los últimos 50 años. Las implicaciones de ésto, en cuanto a
efecto invernadero, se consideran en otra ponencia de esta Jornada. Aquí
era fundamental presentar este ciclo, por ser una de las vías posibles de
aprovechar de manera continuada la energía solar. Energías
renovables solares Hemos analizado cómo la irradiación solar es el agente que activa los ciclos naturales, particularmente el del H2O y el del CO2. El primero emplea, por así decirlo, 36.000 TW de potencia, con lo cual se mantiene una cantidad de vapor en la atmósfera que es del orden de 6 gramos por kg de aire seco. Ello totaliza 3x1016 kg de vapor de agua en la atmósfera, que aproximadamente son el 8% del agua superficial total. Por supuesto, las fluctuaciones de contenido de vapor de agua son enormes, habiendo parajes con humedades absolutas por encima de 30 g/kg de aire seco, y zonas con humedad indetectable. La cifra anterior equivale a 30.000 km3 de agua (como vapor en la atmósfera) que a título de curiosidad, es la precipitación total de 24 días, en valor medio. Esta precipitación nos da pié a hablar de la energía hidráulica, la primera energía renovable utilizada para la producción de electricidad, pero no la primera utilizada por el ser humano para la satisfacción de sus necesidades energéticas, que fue la biomasa. Es decir, leña. Y con ello conviene sistematizar el estudio de estas fuentes de energía renovables, que clasificaremos según sigue:
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