Transiciones energéticas (a la luz de la investigación sobre Thanatia) Alicia Valero 8 septiembre 2017 Curso de Verano de la UAM. Alternativas ecosociales en el siglo de la Gran Prueba

Contenidos 1. Thanatia y el segundo principio de la termodinámica 2. ¿Hacia una transición economica verde? 3. ¿Hacia una transición economica circular? 4. Reflexiones finales

1. THANATIA Y EL SEGUNDO PRINCIPIO DE LA TERMODINÁMICA

Un pequeño recordatorio… Algunas anécdotas

Algunas ideas básicas de Termodinámica La pelota desciende irreversiblemente hasta que alcanza el estado de equilibro – estado muerto. Exergía Estado muerto Lo que está concentrado, acaba diluyéndose

Exergía Todo lo que se aleje del estado muerto (ambiente), tiene exergía.

La exergía de los recursos minerales Exergy Technosphere Current Earth with mineral deposits Earth’s evolution Thanatia Thanatia, constituiría el punto inicial para evaluar la pérdida de capital mineral de la Tierra! Zero Exergy

La temible segunda ley de la termodinámica Todos los procesos naturales (y humanos) tienden espontáneamente hacia la degradación.

La temible segunda ley de la termodinámica

La temible segunda ley de la termodinámica Afortunadamente el sol permite directa o indirectamente regenerar aquello que se ha degradado. ¿Todo?¿Siempre?¿Existe un punto de no retorno?

¿Nos estamos aproximando hacia Thanatia?

Pico del petróleo y cambio climático Nuevos modelos energéticos Primeras señales de alarma Pico del petróleo y cambio climático Nuevos modelos energéticos

3. ¿HACIA UNA TRANSICIÓN ECONÓMICA VERDE?

Nuevos materiales para la Economía “Verde”

Economía Verde o economía multicolor? Tecnologías IC  PGM, Au, Sn, Nb, Ta Biomasa P EólicaImanes permanentes Nd, Dy, Pr, Sm y Co Fotovoltaica  In, Te, Ga, Ge, As, Gd Lámparas de bajo consumo y pantallas : Y, Eu, Tb, In,Sn Baterías  Ni, Mn, Co, Cd, La, Ce, Li Turbinas de altas prestaciones  Co, Nb, V, Re Automóviles eléctricos  La, Imanes permanentes, SOFC H2  Pt, Pd Catalizadores  Pt, La, Ce Ce para pulir discos duros. Nuclear  In, Hf, Re, Zr, U

Proyecciones de desarrollo de las tecnologías “limpias” Fuente: Valero et al. (2017). Material bottlenecks in the future development of green Technologies. Renewable and Sustainable energy Reviews. Under review

Análisis exergético de transición energética World Exergy flow analysis – IEA 450 scenario 2020 World Exergy flow analysis – IEA 450 scenario 2040 -25% Exergía pero +16% minerales! Fuente: Al. Valero et al.(2017). An Exergy flow analysis of the Energy transition. Conferencia ECOS 2007. 2-7 Julio. San Diego.

Dependencia energética => Dependencia de materiales Fuente: Valero et al. (2017). Material bottlenecks in the future development of green Technologies. Renewable and Sustainable energy Reviews. Under review

Energéticamente más eficiente, pero ¿más sostenible?

Ejemplo de mayor dependencia de minerales Luz trasera de freno Rareza Termodinámica (i) = 17,7 MJ Rareza Termodinámica (f) = 31,3 MJ El peso de todos los metales ha aumentado de 1,31 g a 7,17 g. (547 %) Sin embargo su Rarity ha aumentado un 176 %. Ag = + 349 % (+0,06 g) Cu = + 606 % (+3,91 g) Ni = + 525 % (+0,05 g) Sn = + 1193 % (+1,92 g) Ta = +247,78 % (+0,03 g)

Aumento exponencial de la extracción mineral Aumento x 8 veces Consumption of natural stock is a key element in our society. Demand of the main metals and minerals that the society needs to produce the goods has increased dramatically over the last decades. From 1900 to 2005 there has been an increase of material extraction by a factor of 8. The biggest increase corresponding to ore and construction minerals. For instance, the copper produced has doubled every 25 years since data started to being recorded. Krausmann, F.; Gingrich, S.; Eisenmenger, N.; Erb, K.H.; Haberl, H.; Fischer-Kowalski, M. Growth in global materials use, GDP and population during the 20th century. Ecological Economics 2009, 68, 2696-2705. (UNEP, 2011) Producción de cobre se duplica cada 25 años

Consumo energético total (GJ/t vs. ley) Cobre Oro Cinc Total energy requirements for three commodities: copper, gold and zinc. As the ore grade decreases, the total energy consumption increases. y=25.621x-0366 y=169,630x-0.275 y=4.49x-0.786 Fuente: Calvo et. Al. (2016). Decreasing ore grades in global metallic mining, a theoretical issue or a global reality? Life Cycle Assessment and Other Assessment Tools for Waste Management and Resource Optimization congress. Cetraro (Italy) 5-10 June. 2016

Producción vs. Energía para el Cu PRODUCCIÓN LEY ENERGÍA 30% 25% 46% Mundo (excepto: Rusia y China) Desde 2003 a 2013: 46% aumento en consumo energético 30% aumento en extracción de Cu

Oferta y demanda de metales Riesgos de abastecimiento de metales desde un punto de vista físico/geológico Tipo de riesgo Definición Muy alto Demanda acumulada 2016 – 2050 ≥ recursos Alto Demanda acumulada 2016 – 2050 ≥ reservas Medio Demanda anual ≥ Producción primaria anual

Oferta y demanda de metales La demanda de 2016-2050 podría ser mayor que las reservas para: Ag, Cd, Co, Cr, Cu, Ga, In, Li, Mn, Ni, Pb, Pt, Te, Zn Fuente: Valero et al. (2017). Material bottlenecks in the future development of green Technologies. Renewable and Sustainable energy Reviews. Under review

Oferta y demanda de metales Fuente: Valero et al. (2017). Material bottlenecks in the future development of green Technologies. Renewable and Sustainable energy Reviews. Under review Oferta y demanda de metales

Ejemplo: litio – previsiones de disponibilidad futura Pico máximo de producción del litio con distintas estimaciones de recursos G. Calvo, Al. Valero and A. Valero (2017). Assessing maximum production peak of minerals: how can changes in resources influence future availability?Journal of Industrial Ecology. Under review.

Oferta y demanda de metales Pico de máxima producción Posible problema de abastecimiento Se 0.83 2008 2016-2032 Ni 0.95 2033 2027-2029 Dy 2219 2029-2034 Co 0.90 2142 2030-beyond 2050 Ag 0.71 2025 2031-2042 Ta 2039 2033-2050 Nd 0.96 2105 2034-2041 Te 0.46 2065 2035-beyond 2050 Mo 0.94 2030 2038-2042 Mn 0.84 2038-2050 In 0.98 2032 2041 Li 0.92 2037 2042-2045 Sn 2086 2042-beyond 2050 G. Calvo, Al. Valero and A. Valero (2017). Assessing maximum production peak of minerals: how can changes in resources influence future availability?Journal of Industrial Ecology. Under review.

Tecnología en la que se usa Tecnología en la que se usa Oferta y demanda de metales   Tipo de riesgo Tecnología en la que se usa Muy alto Alto Medio Wind PV CSP LDV Ag ● x Al Cd Ce Co Cr Cu Dy Fe Ga Gd Ge In La Li Mg Mn   Tipo de riesgo Tecnología en la que se usa Muy alto Alto Medio Wind PV CSP LDV Mo ● x Nb Nd Ni Pd Pr Pt Se Sn Ta Te Ti V Zn Tipo de riesgo Definición Muy alto Demanda acumulada 2016 – 2050 ≥ recursos Alto Demanda acumulada 2016 – 2050 ≥ reservas Medio Demanda anual ≥ Producción primaria anual Fuente: Valero et al. (2017). Material bottlenecks in the future development of green Technologies. Renewable and Sustainable energy Reviews. Under review

El problema del fósforo y otros nutrientes http://www.rainharvest.co.za Biocombustibles ¿renovables? http://mrsbioblog.blogspot.com.es/2014/02/chapter-43-cycling-of-matter.html

A esto se le suman los aumentos de emisiones Consumo esperado asociado a la minería (considerando producción exponencial y consumo constante de energía)

Tasa de reciclado actual Mejoras – aumentar tasas de reciclado   Tasa de reciclado actual Crecimiento anual Tasa de reciclado en 2050 Ag 30 % 0.6 % 37 % Cd 25 % 1.3 % 39 % Co 32 % 1.8 % 59 % Cr 20 % 2.5 % 47 % Dy 10 % 0.9 % 13.7 % In 37.5 % 0.5 % 44.7 % Li 1 % 4.6 % 4.8 % Mn 0.1 % 38 % Mo 33 % 0.7 % 42 % Nd 5 % 5.2 % Ni 29 % 41 % Se 2 % Sn 22 % 22.8 % Ta 17.5 % 18.2 % Fuente: Valero et al. (2017). Material bottlenecks in the future development of green Technologies. Renewable and Sustainable energy Reviews. Under review

… Muy poco se recicla Source: Graedel et al. (2011) What Do We Know About Metal Recycling Rates? Journal of Industrial Ecology, 15, 355-366

Agbogbloshie, Ghana: Weee Waste the Earth!

Señal de alarma: falta de suministro de MMPP Economía circular

3. ¿HACIA UNA TRANSICIÓN ECONÓMICA CIRCULAR?

Ecirc Parlamento Europeo Economía Circular COMPARTIR REPARAR REUTILIZAR REMANUFACTURAR RECICLAR

Ecirc Parlamento Europeo Economía Circular

Economía Circular ? Ejemplos Usos dispersivos Productos de higiene y cosméticos Pinturas Tintas Fiestas Usos dispersivos Papel L'Âge des low tech. Vers une civilisation techniquement soutenable. Philippe Bihouix

Economía Circular… Sí pero… El remedio es peor que la enfermedad Nanotecnologías … y usos dispersivos Hiperconectividad y … Maquinización a ultranza Obsolescencia técnica por … Mejora del comportamiento L'Âge des low tech. Vers une civilisation techniquement soutenable. Philippe Bihouix

Primer Ciclo de la Economía Espiral

Segundo Ciclo de la Economía Espiral

Tercer Ciclo de la Economía Espiral

Cuarto Ciclo de la Economía Espiral

Quinto Ciclo de la Economía Espiral

Degradación creciente en la Economía Espiral Aceleración exponencial: R=R0-a*b^t

Degradación creciente en la Economía Espiral R(t)=R0-a*t R(t)=R0-a*tb R(t)=R0-a*bt

El valor de la durabilidad

El valor de la durabilidad

El valor de la durabilidad

El caso del papel El papel se produce a partir de fibra virgen (55%) y fibra reciclada (38%) En España se recogen para su reciclaje 84 kg de papel por habitante/año. Teniendo en cuenta el consumo medio de 170 kg/habitante/año, se recicla únicamente el 49% del papel que se consume. El sector papelero emplea como materia prima una media de 8 toneladas de papel recuperado por cada 10 toneladas de papel nuevo que se fabrica. Son los papeles de envases y embalajes los que utilizan un mayor aporte de fibra reciclada. La mayor inyección de fibra virgen en el proceso se produce a través de los papeles de impresión y escritura. http://www.greenpeace.org/espana/Global/espana/report/other/el-papel.pdf

PERO….. El caso del vidrio Por cada tonelada de vidrio reciclado se obtiene un ahorro de 130 kilos de fuel. Por cada tonelada de vidrio reciclado, se genera un ahorro de 1.200 kilos de materias primas Se  reciclan uno de cada tres envases PERO….. http://www.anfevi.com/el-envase-de-vidrio/reciclado/

El caso del vidrio El vidrio reciclado de color contiene metales que no permiten hacer vidrio blanco. En Alemania se separan las botellas blancas de las de color No existen sistemas de separación tan preciso y eficiente que pueda separar los cascotes de color de los transparentes http://www.anfevi.com/el-envase-de-vidrio/reciclado/

NEW HIGH-ENTROPY ALLOYS Metal Mixology , Xiaozhi Lim, Nature 533, 306-307

Metal Mixology , Xiaozhi Lim, Nature 533, 306-307 Casi 313560 aleaciones diferentes se pueden producer combinando proporciones iguales de 3,4,5 o 6 elementos metálicos de un conjunto de 26. Las posibilidades son enormes y no todas las combinaciones dan resultados. La tendencia hacia el desorden, o de “alta-entropía”, es evidente.

Rareza y recuperabilidad La política y el modelo de gobierno de las materias primas críticas deberían estar basados en conceptos como “Rareza” y “Recuperabilidad” (kWh). Existen dos ausencias importantes : 1) Una clasificación general de la recuperabilidad de materiales de primera, segunda, tercera mano… 2) Una contabilidad global y sistemática de la pérdida anual de Capital Mineral del Planeta. Hay una urgente necesidad de promover la investigación en estos campos. Algún día nuestra sociedad necesitará vivir casi exclusivamente de materiales ya usados -2ª,3ª,4ª,…mano, más que de los de 1ª mano = (recursos del planeta)-.

2.000.000 € SE VENDE Valoración del patrimonio de un país Pero para poder utilizar los indicadores que acabamos de explicar, necesitamos conocer tres aspectos físicos de los minerales a lo largo de su historia productiva: Evolución de la producción Reservas disponibles Evolución de la concentración de los depósitos. Desafortunadamente en todo el mundo sólo existe información completa de un país: Australia. Y esto gracias al reciente estudio de Gavin Mudd, que por cierto nos hizo una visita la semana pasada. El PIB y otros indicadores económicos no tienen en cuenta a las futuras generaciones. Cuanto más escaso, mayor es la deuda hacia la Naturaleza.

LA-20 LA-20 quick facts: Key oil exporters countries: Venezuela, Mexico, Colombia, Brazil, Ecuador, Argentina, Cuba, Peru, Guatemala and Bolivia (CIA, 2013) Important role as mineral producer: 44% Cu, 35% Ni, 27% Ag, 21% Sn, 20% Au (USGS,2013) - LA-20 countries: Argentina, Plurinational State of Bolivia, Brazil, Chile, Colombia, Costa Rica, Cuba, Dominican Republic, Ecuador, El Salvador, Guatemala, Honduras, Mexico, Nicaragua, Panama, Paraguay, Peru, Uruguay, Bolivarian Republic of Venezuela - 1/8 of the global surface

Pérdida del capital mineral en LA-20 Electricity 1.69x10³ USD/Mtoe Oil 6.85x10^8 USD/Mtoe revenues do not compensate LMW Fuente: Thermodynamic loss of mineral wealth in Latin America. ECOS Conference. San Diego (2017)

4. REFLEXIONES FINALES

Reflexiones La transición hacia una economía baja en carbono reducirá el consumo exergético de recursos no renovables. Desplazamiento de combustibles fósiles a minerales no energéticos => tecnologías verdes requieren de más minerales (ej. Centrales térmicas y vehículos de combustión interna vs. Renovables y vehículos híbridos y eléctricos). La demanda de materiales para vehículos eléctricos (Co, Cu, Ni, Al), PV (In, Ag) y nutrientes (P, K) para bioenergía requerirán la mayor demanda exergética mineral.

Reflexiones Evitar la dependencia de combustibles fósiles implicará aceptar la dependencia de materiales, algunos de ellos con importantes riesgos de suministro (Te, Co, In, Li, Nd, Cd, Ag, Cr, Ga, Mn, Sn, Zn).

Reflexiones Declaración de Aragón por la Sostenibilidad Queremos promover la Economía Circular, en realidad Espiral,  es decir, dar nuevos valores institucionales que permitan reducir drásticamente los residuos, reutilizar y reparar los productos dándoles una segunda, tercera, cuarta… vidas, recuperar los materiales valiosos para reintroducirlos en el sistema productivo así como regenerar y restaurar todo lo que resulte degradado. 6 Mayo 2017 Si la demanda sigue aumentando, la producción primaria de metales seguirá siendo crucial. La economía circular es un mito. La 2ª ley de la termodinámica es inevitable! En cada ciclo material siempre se pierde algo. Los costes energéticos del reciclado aumentan exponencialmente con el grado de pureza a obtener. Debemos aspirar a una Economía Espiral con cuantos más ciclos mejor

Reflexiones Para que las renovables sean realmente sostenibles, se requieren más esfuerzos en reducir consumo, desmaterialización, sustitución de materiales críticos y aumentar el número de espirales.

Reflexiones Algún día el ser humano deberá vivir de sus residuos, no de los recursos finitos del Planeta. Es decir, vivir de los materiales y el agua que ya hemos extraído y de la energía solar. Dice Stephen Hawking que si seguimos así, ”en cien años deberemos abandonar la Tierra”.  

Sede de CIRCE– Campus Río Ebro - Zaragoza GRACIAS POR VUESTRA ATENCIÓN 200 personas trabajando por la innovación y el desarrollo sostenible