Energía a escala galáctica

Energía a escala galáctica

Desde el inicio de la Revolución Industrial, hemos visto un impresionante y sostenido crecimiento en la escala del consumo energético por parte de la civilización humana. La gráfica abajo, elaborada con los datos de la EIA (Agencia de la Información sobre la Energía), muestra que la energía usada en los Estados Unidos desde 1650 (incluyendo madera, biomasa, combustibles fósiles, hidroeléctrica, nuclear, etc.) ha seguido una trayectoria de crecimiento notablemente constante, caracterizada por un crecimiento anual del 2,9% (ver gráfico). Es importante comprender la evolución en el futuro de esta trayectoria de crecimiento energético, ya que gobiernos y organizaciones de todas partes trabajan con la suposición de que esta tendencia de crecimiento sostenido continuará igual que ahora durante siglos- y una ojeada a la figura sugiere que es una suposición perfectamente razonable (algunos matices se discuten en esta actualización).

Consumo energético total en los Estados Unidos desde 1650. La escala vertical es logarítmica, por lo que una curva exponencial resultado de una tasa de crecimiento constante aparece como una línea recta. La línea roja se corresponde con una tasa de crecimiento anual del 2,9%. Datos: EIA.

El crecimiento se ha convertido en un pilar tan básico de nuestra existencia que damos por sentada su continuidad. El crecimiento aporta muchísimos beneficios, como coches, televisión, transporte aéreo, iGadgets… La calidad de vida mejora, la sanidad mejora, y a pesar de la proliferación de contraseñas a recordar, la vida tiende a ser más cómoda con el tiempo. El crecimiento trae consigo una promesa de futuro que proporciona razones para invertir en desarrollo, anticipando el rendimiento de la inversión. El crecimiento es el fundamento que justifica las tasas de interés, créditos y, por tanto, la actividad financiera.

Debido a que el crecimiento ha estado presente durante “innumerables” generaciones – es decir, ha sido experimentado por cualquier persona conocida por nosotros o nuestros abuelos- el crecimiento es el argumento central de nuestra propia narrativa sobre quiénes somos y qué hacemos. Por lo tanto nos sentimos incómodos al imaginar una trayectoria diferente.

Este post aporta un impactante ejemplo de la imposibilidad de un crecimiento sostenido con las tasas actuales- incluso a una escala de tiempo familiar. Por simplificación de los cálculos, bajaremos la tasa de crecimiento energético del 2,9% al 2,3% anual; de esta forma vemos un incremento de factor diez cada 100 años, es decir, el consumo de energía total se multiplica por diez cada 100 años. Ponemos el reloj a cero en el presente, con un uso global de la energía de 12 terawatts (por lo que cada habitante de este planeta de media disfruta de una parte del pastel de 2.000 W)

Comenzaremos con valoraciones cuasipragmáticas, para luego dejar volar por etapas nuestra imaginación – incluso entonces veremos que chocamos con nuevos límites antes de lo que esperaríamos a priori. De antemano voy a admitir que las premisas en que se basa este estudio son enormemente deficientes. Pero de hecho al final se trata justamente de eso.

Una carrera hacia la GalaxiaSolamente el 70% de la luz solar que incide en la Tierra entra en su balance energético – el 30% restante rebota de inmediato en la nubes, la atmósfera y la superficie sin ser absorbida. También, al ser criaturas terrestres, podríamos asumir que la instalación de paneles solares estará retringida al suelo continental,  que ocupa el 28% de todo el globo terrestre. Finalmente, sabemos que los paneles fotovoltaicos y las plantas termosolares  tienden a operar con una eficiencia de alrededor del 15%. Vamos a suponer incluso un 20% para nuestros cálculos. El resultado final es de 7.000 TW disponibles, alrededor de 600 veces nuestro consumo actual. Muchísimo margen, ¿no?¿Cuándo chocaríamos con este límite con un crecimiento del 2,3% anual? Recordad que nos expandimos con un factor de diez cada cien años, por lo que en 200 años consumiremos 100 veces el nivel actual, y llegaríamos a los 7 000 TW en 275 años.

275 años pueden parecer muchos para la escala de tiempo de un ser humano, pero no lo es tanto para una civilización. Y pensad en el mundo que acabamos de crear: ¡Todo metro cuadrado de superficie cubierto de paneles fotovoltaicos! ¿Y dónde hacemos crecer la comida?Ahora vamos a relajar un poco los límites. Seguramente en 275 años seremos suficientemente inteligentes para exceder la eficiencia del 20% de tan importante recurso. Vamos a reírnos en la cara de los límites de la termodinámica y usaremos una eficiencia del 100% (sí, ya ha empezado la parte fantasiosa de este viaje). Esto nos quintuplica el recurso, o 70 años más. ¿Pero quién necesita los océanos? Recubrámoslos todos con paneles solares con una eficiencia del 100%. 55 años más. En 400 años, ya chocamos con el límite solar de la superficie terrestre . Esto es muy significativo, ya que la biomasa, viento y generación hidroeléctrica se derivan de la radiación del sol, y los combustibles fósiles representan una batería en la Tierra cargada a lo largo de millones de años. Solamente la energía nuclear, geotérmica y mareomotriz no provienen de la radiación solar- y los dos últimos son despreciables para el análisis, conjuntamente representan unos pocos terawatts.

Pero la principal limitación del anterior análisis es el área de la superficie terrestre… Deseo concedido. Si captamos el 30% extra que ha rebotado en la atmósfera ganamos solamente 16 años, por lo que el gran esfuerzo de rodear la atmósfera con paneles solares quizá no vale la pena. ¿Pero para qué limitarnos a la Tierra, si ya estamos flotando en el espacio?

Seamos ambiciosos: rodeemos el sol con paneles solares, y que sean 100% eficientes. No importa que esta estructura, de unos 4mm de grosor, que rodea el sol a la distancia de la órbita terrestre, requiera una cantidad de materiales equivalente a la masa de la tierra, y materiales especiales además. Pues haciéndolo nos permitiría continuar con el crecimiento anual del 2,3% durante 1.350 años más a partir del presente.

Llegados a este punto podemos darnos cuenta de que el Sol no es la única estrella de nuestra galaxia. En la Vía Láctea hay alrededor de 300.000 millones de estrellas. Muchísima energía simplemente vertida al espacio, disponible para su uso. Recordemos que cada factor de diez son cien años más que podemos seguir en la autopista del crecimiento. 300 000 billones son once factores de diez, por lo tanto tenemos 1100 años más. Por lo que en unos 2500 años estaríamos usando la energía producida en toda una gran galaxia. Conocemos con cierta precisión lo que hacían los humanos hace 2.500 años. Creo que puedo afirmar sin titubear lo que no estaremos haciendo en 2.500 años.

Demanda de energía global con un crecimiento sostenido de 2,3% en un gráfico logarítmico. En 275 y 345 años usaríamos toda la radiación solar que llega a la superficie terrestre emergida con una eficiencia del 20% y 100%, respectivamente. Si cubrimos toda la superficie de la Tierra encontraríamos el tope en 400 años, con una eficiencia del 100%. En 1350 años usaríamos toda la energía producida por el Sol. En 2450 años, consumiríamos tanta energía como la producida por los 300 000 millones de estrellas que contiene la Vía Láctea. Las notas verticales, en verde, muestran una perspectiva histórica de la situación de estas referencias en el contexto de la civilización

¿Porqué simplemente la solar?Algunos lectores pueden molestarse por un enfoque centrado en la energía solar/estelar. Si soñamos a lo grande, olvidémonos de las timoratas restricciones de la energía solar y adoptemos la fusión. La abundancia del deuterio en el agua común nos permitiría disponer aquí mismo en la Tierra de una fuente energética aparentemente inagotable. No entraremos en un detallado análisis de esta posibilidad por resultar innecesario. El crecimiento despiadado mostrado arriba implica que en 1400 años contados a partir de ahora, cualquier fuente de energía que consiguiésemos tener habría de eclipsar al Sol.Permítanme resaltar ese importante punto. Independientemente de la tecnología, una tasa de crecimiento energético sostenida del 2,3% nos exigiría dentro de 1400 años producir tanta energía como el Sol. Aviso: una planta de producción así estaría más bien caliente. La termodinámica impone que si generamos en la Tierra una cantidad de energía comparable a la del Sol, la superficie de nuestro planeta – siendo más pequeña que la del astro rey – ¡debería ponerse más caliente que la del Sol!

Límites termodinámicos

Podemos explorar con mayor precisión los límites termodinámicos del problema. La Tierra absorbe abundante energía del Sol – en exceso, dadas nuestras actuales actividades humanas -. La Tierra se libera de su energía radiándola al espacio, principalmente en forma de ondas infrarrojas. No hay otro camino para librarse del calor. De hecho, la absorción y emisión se hallan en un balance cuasi perfecto. Si no fuera así la Tierra se calentaría o enfriaría lentamente. De hecho, hemos disminuido la capacidad de escape de tales radiaciones, llevándonos al calentamiento global. Aún así, todavía estamos desviados menos del 1% respecto al equilibrio perfecto.

Como la potencia radiada aumenta como la cuarta potencia de la temperatura si la expresamos en términos absolutos (grados Kelvin), podemos calcular la temperatura de equilibrio de la superficie de la Tierra dada una carga adicional de actividad social.

Temperatura de la superficie terrestre dado un crecimiento energético sostenido del 2.3%, asumiendo que empleemos otra fuente distinta del Sol para proveer nuestras necesidades y que su uso se disipa sobre la superficie del planeta. Incluso una fuente energética de ensueño como la fusión desatará condiciones inviables en unos cientos de años en caso de seguir creciendo. Reparen en que la escala vertical es logarítmica.

El resultado se muestra arriba. Como ya sabemos, si nos ceñimos a la superficie de la Tierra, en 400 años agotaríamos nuestro potencial solar. A fin de continuar nuestro crecimiento energético más allá de ese punto, deberíamos abandonar la renovables -derivadas prácticamente todas ellas del sol- por la fisión y/o fusión nuclear. Pero el análisis termodinámico nos dice que de todas maneras estamos fritos.¡Detengan esta locura!El objeto de esta disertación es señalar lo absurdo que resulta asumir que podemos incrementar nuestro uso de la energía, incluso si lo hiciésemos más modestamente que durante los últimos 350 años. Este análisis será un blanco fácil para determinadas críticas, dada lo estrecho de miras de su premisa. Disfrutaría triturándolo yo mismo. Básicamente, el crecimiento continuado de la energía sería innecesario si la población se estabilizase. Al menos se mitigaría un 2,9% del crecimiento energético que hemos venido experimentando a medida que el mundo se ha ido saturando de población. Pero no soslayemos el asunto clave: El crecimiento continuado en el uso de la energía se torna imposible en períodos de tiempo que la mente humana puede abarcar. El análisis precedente brinda una hermosa forma de demostrar este argumento. Encuentro que se trata de un argumento que fuerza a la gente a darse cuenta de los límites genuinos del crecimiento infinito.Una vez que reconozcamos que el crecimiento físico debe cesar (o invertirse) algún día, podremos darnos cuenta de que todo el crecimiento económico debe igualmente acabar. Este último punto puede que sea difícil de digerir, dada nuestra habilidad para innovar, mejorar la eficiencia, etc. Pero dejaremos este asunto para otro post.