Energía a escala galáctica

De Do The Math del 12.07.2011.

Desde el comienzo de la Revolución Industrial, hemos sido testigos de un crecimiento constante e impresionante en la escala del consumo de energía por parte de la civilización humana. Si se representasen gráficamente los datos de la Agencia de Energía de EE.UU  sobre el uso de energía desde  1650  en los Estados Unidos (1635-1945, 1949-2009, incluida la madera, biomasa, combustibles fósiles, hidroeléctricas, nuclear, etc.), se observaría  el crecimiento en una curva muy estable, caracterizado por una tasa de crecimiento anual del 2,9% (ver figura). Es  importante entender que  curva seguirá en el futuro el crecimiento de la energía, porque los gobiernos y organizaciones de todo el mundo formulan hipótesis sobre la base de que la tendencia de crecimiento continuará como lo ha hecho durante siglos, y una mirada a la figura sugiere que esta es una hipótesis perfectamente razonable. (Vea esta actualización para más detalles.)

El consumo total de energía en los Estados Unidos, en todas sus formas, a partir de 1650. La escala vertical es logarítmica, por lo se entiende que es una curva exponencial, como resultado de una tasa de crecimiento constante, aparece como una línea recta. La línea roja corresponde a una tasa de crecimiento anual del 2,9%. Fuente de datos: EIA -Evaluación de impacto ambiental .

 El crecimiento se ha convertido en un pilar tan fundamental de nuestras vidas que damos por sentado que deba continuar. El crecimiento trae un montón de cosas agradables, como los coches, la televisión, los viajes aéreos y los iGadgets.

La calidad de vida mejora, mejora la atención  sanitaria y, aparte de la proliferación de contraseñas a recordar, con el paso del tiempo la vida tiende a ser más confortable. El crecimiento también trae consigo una promesa del futuro, dando razones para invertir en el desarrollo futuro en previsión de un retorno de la inversión. El crecimiento es por lo tanto, la base de las tasas de interés, de  los préstamos y del sector financiero.

Debido a que el crecimiento ha estado con nosotros durante "innumerables" generaciones, en el sentido de de todos  aquellos que hemos conocido, o que nuestros abuelos  han conocido,  o han experimentado. El crecimiento es fundamental para nuestra idea de quiénes somos y qué hacemos. Por ello nos encontramos con enormes dificultades para imaginar una curva diferente.

Este artículo proporciona un ejemplo claro de la imposibilidad de continuar el crecimiento al ritmo actual, incluso en la escala de tiempos familiares. Por conveniencia, reduciremos  la tasa de crecimiento de la energía del 2,9% al 2,3% por año, con el fin de tener un incremento  en un factor diez veces menor por cada 100 años.

Ponemos en marcha el reloj ahora, con una tasa global de consumo de energía de 12 teravatios (lo que significa que el ciudadano medio  en  la participación del mundo para la torta total, consume 2000 W). Comenzamos con una evaluación semi-práctica, y más tarde, en varias etapas, vamos a hacer correr nuestra imaginación constatando, en este caso, el choque con  los límites que se producirá antes de lo que usted podría pensar.

Debo admitir  desde el principio que los supuestos que subyacen en este análisis son un completo desastre. Pero ésta es precisamente la conclusión a la que llegamos al final.

Una carrera hacia la galaxia

Siempre me ha impresionado  el hecho de que la energía solar que alcanza a la Tierra en una hora es igual a la energía que consumimos en un año. ¡Lo que nos trae la esperanza para la primera  declaración! Pero no nos dejemos llevar por el entusiasmo , por ahora.

Sólo el 70% de la luz solar incidente entra en el balance energético de la Tierra, el resto simplemente rebota en las nubes, la atmósfera y el suelo, sin ser absorbida. Además, al ser criaturas de la tierra, podemos considerar que tenemos un límite de colocación de  paneles solares  en la tierra, que ocupa  el 28% del mundo.

Por último, observamos que los sistemas solares térmicos y fotovoltaicos, tienden a operar con una eficiencia alrededor del 15%. Supongamos  un 20% para este cálculo. La red actual es de alrededor de TW 7000, alrededor de 600 veces el consumo actual. Todavía hay un amplio margen, ¿verdad?

Cuando nos encontramos con el límite a una tasa de crecimiento del 2,3%? Recordemos que nos expandimos en un factor  diez por cada cien años, y luego en 200 años, vamos a operar a 100 veces el nivel actual, llegando a 7.000 TW en 275 años. 275 años puede parecer mucho tiempo en la escala de tiempo de una sola persona, pero en realidad no es tanto tiempo para una civilización. Por otra parte, creemos que el mundo que acabamos de crear: cada metro cuadrado de suelo cubierto por paneles solares! ¿Donde se produce la comida?

Ahora, empezamos a relajar las restricciones o vínculos. Seguro que en 275 años vamos a ser lo suficientemente inteligentes como para superar el 20% de eficiencia de un recurso global que es tan importante. Nos reímos, incluso en la cara  al hablar de los límites termodinámicos de eficiencia del 100% (así, empezaremos la parte fantástica de este viaje).

Esto nos da un factor cinco o 70 años. Pero, ¿quién necesita a los océanos? Llenemos  incluso los mismos  con los paneles solares de 100% de eficiencia. Otros 55 años. En 400 años se utiliza todo la  energía solar incidente sobre la superficie terrestre. Esto es significativo, debido a que la biomasa, la eólica y la generación hidroeléctrica son resultado de la radiación del sol, y los combustibles fósiles son la batería de la tierra, cargada de energía solar durante millones de años. Sólo los procesos  nucleares, geotérmicos, mareomotriz no provienen de la luz del Sol (estos últimos son irrelevantes para este análisis, se limita a unos pocos teravatios).

Sin embargo, la principal limitación, en el análisis anterior, es la superficie de la Tierra,  agradable tal y como es. Ganamos  sólo 16 años mediante la recopilación de un 30% de energía adicional que rebota en forma inmediata, por lo que es, sin duda no vale la pena tratar de soportar el fuerte gasto necesario para que un grupo de paneles solares alrededor de la Tierra, en el espacio lo recuperen.

Pero una vez en el espacio, ¿por qué nos limitamos a la Tierra? Pensamos a lo grande: los paneles solares rodean el sol. Y ya que estamos, una vez más hagámoslos  100% eficientes. Olviden el hecho de que para una estructura de 4 mm de espesor, que rodea al Sol en la órbita de la Tierra, se necesitaría el equivalente de  materiales en la tierra, disponibles  el planeta (y de los materiales específicamente para este propósito). Hacer esto nos permite continuar con el crecimiento de la energía a un ritmo de 2,3% por año durante los próximos 1350 años.

En este punto usted puede darse cuenta de que nuestro Sol no es la única estrella en la galaxia. La Vía Láctea contiene cerca de 100 mil millones de estrellas. Una gran cantidad de energía, precisamente, escupiéndose en el espacio, lista para ser tomada. Recordemos que cada factor de diez nos lleva hacia adelante 100 años en el camino. Ciento diez millones corresponden a 11 factores, a continuación, otros 1100 años. Así que, en 2500 años a partir de ahora, estaríamos usando una gran parte de la energía de la galaxia. Sabemos entonces, con cierto detalle, qué hicieron los seres humanos hace 2500 años. En este momento creo que puedo decir con certeza que no vamos a saber lo que ocurrirá en otros 2500 años.

Para la demanda mundial de energía, suponiendo una tasa de crecimiento constante del 2,3%, en un gráfico logarítmico. Entre 275, 345, y 400 años, nos serviría  toda la luz solar incidente en la tierra, en su totalidad, asumiendo una eficiencia de conversión del 20%, 100% y 100%, respectivamente. En 1350 años,  utilizaríamos tanta energía como la que el Sol genera. A los 2450 años, se utilizaría algo parecido a todos los cientos de millones de estrellas en la galaxia Vía Láctea. Los registros verticales proporcionan una perspectiva histórica sobre cómo  están de lejos estos puntos de referencia en el contexto de una civilización. 


¿Por qué la elección de la energía solar? 

A algunos lectores les podría molestar  el especial énfasis en la energía solar / estelar. Si somos grandes soñadores,  olvidémonos de las limitaciones impuestas por la energía solar débil y adoptemos la fusión. 

La abundancia de deuterio en la tierra, nos permitiría disponer de una fuente prácticamente inagotable de energía aquí en la Tierra. No nos aventuremos en un análisis detallado de este viaje, porque no hay necesidad. El imparable crecimiento, que  se muestra más arriba, nos dice que tras  1400 años al margen de cuál sea la fuente de energía que utilizamos, vamos a consumir más que la que genera el Sol. 

Permítanme parafrasear esta importante declaración. No importa cuál sea la tecnología, dentro de 1400 años, un crecimiento constante de la energía a un ritmo de 2,3%, sería necesario  producción tanta energía como produce el Sol. Una pequeña advertencia: “esa central se está calentando un poco ". 

La termodinámica establece que si creamos en la tierra una potencia comparable a la del Sol, la superficie de la Tierra, siendo menor, ¡debe ser aún más caliente que el Sol! 

Límites termodinámicos

Se puede explorar con mayor precisión los límites del problema termodinámico. La tierra absorbe una gran cantidad de energía procedente del Sol, mucho más de lo que actualmente utilizan las actividades humanas. 

La temperatura de la superficie terrestre también crece ,con un crecimiento constante de energía a un ritmo de 2,3%, y suponiendo el uso de alguna otra fuente de luz solar, para proporcionar  nuestras necesidades, cuyo empleo se realice en la superficie del planeta . Incluso los sueños de fuente de energías nuevas, tales como fusión, darían lugar a condiciones insostenibles en unos pocos cientos de años, si el crecimiento continúa. Tenga en cuenta que la escala vertical es logarítmica.

La tierra se deshace de su energía irradiándola hacia el espacio, siendo la mayor parte de las longitudes de onda infrarrojas. Ningún otro mecanismo está disponible para la transferencia de calor. De hecho, la absorción y emisión se encuentran  en  un equilibrio casi perfecto. Si no fuese así, la Tierra sufriría calentamientos o enfriamientos constantemente.

En realidad, hemos reducido la capacidad de la radiación infrarroja para ceder calor, lo que lleva al calentamiento global. Pero aún así, todavía estamos en equilibrio, menos del 1%. Dado que la escala de potencia radiada, como la cuarta potencia de la temperatura ( se expresa en términos absolutos, es decir, en grados Kelvin), podemos calcular la temperatura de equilibrio de la superficie de la Tierra, considerando la  carga adicional proveniente de las actividades humanas.

El resultado se muestra arriba. De lo anterior dicho, sabemos que si nos restringimos a la superficie de la Tierra,  agotamos  el potencial ofrecido por el Sol en solo 400 años. Con el fin de continuar con el crecimiento de la energía después de esta fecha, tenemos que abandonar como solución a largo plazo las renovables,  las cuales derivan del Sol para cambiar a la fisión o fusión nuclear. Sin embargo, el análisis termodinámico nos dice que, en todo caso ¡nos van a dar por culo!.

¡Detengamos la locura!

 El propósito de este estudio es poner de relieve lo absurdo se desprende de la hipótesis de que podemos seguir creciendo y  aumentando nuestro uso de energía, aunque a un ritmo más suave que en los últimos 350 años.

Este análisis es un blanco fácil para la crítica, desde el punto de vista que ofrece los datos  de modo limitado, con sus premisas. Me gustaría destruirlo yo mismo . Por encima de todo, un crecimiento continuo de la energía probablemente no sea necesario si la población humana se estabiliza.

Por lo menos, la tasa de crecimiento del 2,9% debería disminuir ya que ha siso el resultado de ver como el mundo se llena de gente. Pero no hay que ignorar un hecho básico: el crecimiento continuo del uso de la energía se convierte en conceptualmente imposible concebir en escalas de tiempo.

El análisis anterior ofrece una buena manera de demostrar este hecho. Me pareció un argumento de peso para animar a la gente a darse cuenta de los límites reales al crecimiento indefinido.

Una vez que nos damos cuenta de que el crecimiento físico debe cesar, un día (o al revés), podemos llegar a darnos cuenta de que el crecimiento económico debe, de la misma manera,  finalizar. La última declaración puede ser difícil de tragar, teniendo en cuenta nuestra capacidad de innovar, mejorar la eficiencia, etc. Pero este tema lo podríamos discutir en otro post.

Conclusión: Detengamos el crecimiento y pensemos en disfrutar de nuestra madre tierra sin trabajar tanto y sin consumir tanta mierda, la música con panderetas y flautas y saquemos el mayor partido posible a las renovables sin crecer. Además se me ocurre que podríamos firmar un pacto para limitar el crecimiento exponencial, renunciando a tener más de dos hijos por pareja lo que daría una cierta estabilidad, de lo contrario acabaríamos a la larga con una guerra que sería la última.