Transiciones energéticas (a la luz de la investigación sobre Thanatia)

Presentación del tema: "Transiciones energéticas (a la luz de la investigación sobre Thanatia)"— Transcripción de la presentación:

1 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

2 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

3 1. THANATIA Y EL SEGUNDO PRINCIPIO DE LA TERMODINÁMICA

4 Un pequeño recordatorio…
Algunas anécdotas

5 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

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

7 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

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

9 La temible segunda ley de la termodinámica

10 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?

11 ¿Nos estamos aproximando hacia Thanatia?

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

13 3. ¿HACIA UNA TRANSICIÓN ECONÓMICA VERDE?

14 Nuevos materiales para la Economía “Verde”

15 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

16 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

17 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 Julio. San Diego.

18 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

19 Energéticamente más eficiente, pero ¿más sostenible?

20 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 = % (+0,06 g) Cu = % (+3,91 g) Ni = % (+0,05 g) Sn = % (+1,92 g) Ta = +247,78 % (+0,03 g)

21 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, (UNEP, 2011) Producción de cobre se duplica cada 25 años

22 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

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

24 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

25 Oferta y demanda de metales
La demanda de 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

26 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

27 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.

28 Oferta y demanda de metales
Pico de máxima producción Posible problema de abastecimiento Se 0.83 2008 Ni 0.95 2033 Dy 2219 Co 0.90 2142 2030-beyond 2050 Ag 0.71 2025 Ta 2039 Nd 0.96 2105 Te 0.46 2065 2035-beyond 2050 Mo 0.94 2030 Mn 0.84 In 0.98 2032 2041 Li 0.92 2037 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.

29 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

30 El problema del fósforo y otros nutrientes
Biocombustibles ¿renovables?

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

32 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

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

34 Agbogbloshie, Ghana: Weee Waste the Earth!

35 Señal de alarma: falta de suministro de MMPP
Economía circular

36 3. ¿HACIA UNA TRANSICIÓN ECONÓMICA CIRCULAR?

37 Ecirc Parlamento Europeo Economía Circular
COMPARTIR REPARAR REUTILIZAR REMANUFACTURAR RECICLAR

38 Ecirc Parlamento Europeo Economía Circular

39 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

40 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

41 Primer Ciclo de la Economía Espiral

42 Segundo Ciclo de la Economía Espiral

43 Tercer Ciclo de la Economía Espiral

44 Cuarto Ciclo de la Economía Espiral

45 Quinto Ciclo de la Economía Espiral

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

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

48 El valor de la durabilidad

49 El valor de la durabilidad

50 El valor de la durabilidad

51 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.

52 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 kilos de materias primas Se  reciclan uno de cada tres envases PERO…..

53 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

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

55 Metal Mixology , Xiaozhi Lim, Nature 533, 306-307
Casi 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.

56 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)-.

57 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.

58 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, % 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

59 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)

60 4. REFLEXIONES FINALES

61 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.

62 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).

63 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

64 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.

65 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”.  

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