Algunos conceptos erróneos de la TRE (tasa de retorno energético) y algunos cálculos menos incoherentes

Este post es continuación de tres postes anteriores sobre Tasas de Retorno Energético que se publicaron en este blog, aconsejo su lectura previa:

http://www.eis.uva.es/energiasostenible/?p=373

http://www.eis.uva.es/energiasostenible/?p=401

http://www.eis.uva.es/energiasostenible/?p=2903

Como el tercer post no fue lo suficientemente didáctico, espero que el que sigue mejore este aspecto (pido disculpas de antemano si aun así tampoco lo consigue este; el tema es complejo). De forma mucho más completa (y poco didáctica también) aconsejo leer “Energy Analysis for a Sustaibable Future” de Giampietro, Mayumi y Sorman, allí se desarrolla el tema y mucho más.

Lo que denominamos fuentes primarias de energía (“primary energy sources”), NO son fuentes de energía que empleemos directamente en nuestras sociedades. En realidad son “energía” potencial fruto de algún gradiente o salto energético fuera del sistema humano.

Las fuentes primarias son: la energía química almacenada en el petróleo, el carbón, el gas natural y la leña, la energía radiactiva del uranio, la energía cinética del viento, las mareas y las olas, la energía de radiación del Sol, la energía gravitatoria del salto de agua, etc. Como tales no nos sirven de mucho. El ejemplo más importante y claro es el petróleo, que ni siquiera se utiliza directamente para meterlo en una máquina transformadora que dé una energía útil a la sociedad. El petróleo ni siquiera suele quemarse tal cual, es la gasolina, el gasóleo y otros productos derivados lo que usamos como fuente de energía. En la siguiente figura debemos distinguir lo que son fuentes de energía usable de lo que son materia con energía potencial:

Figura 1. Metabolismo energético de nuestra sociedad. Las flechas rojas significan energía en forma usable. La flecha naranja es un flujo de materia con energía potencial que puede ser transformada. Se necesita siempre un intermedio material exosomático para transformar y usar una energía exosomática útil a la sociedad (infraestructura representada por el (4)). Lo rojo pertenece a la antroposfera, lo naranja a la biosfera que la abarca.

 

Necesitamos máquinas (ver figura 1) para transformar esas fuentes primarias en fuentes útiles, en vectores (“carriers”) energéticos, pueden ser tan simples como una chimenea o una vela, o tan complejas como una refinería o una central nuclear. Los vectores que usa nuestra sociedad son básicamente tres: calor, electricidad y combustibles. Son estos los que directamente alimentan a la sociedad.

Desde el punto de vista físico la única diferencia que hay entre una fuente primaria renovable de una no renovable es que el gradiente energético se repone por la biosfera a una tasa mucho más alta que la que dispersamos al “consumir” la energía en la antroposfera. De ahí que la potencia (energía por unidad de tiempo) sea el concepto que realmente manejamos siempre (inconscientemente o no). Por ejemplo, si la potencia que disipan todas las mareas del mundo es menor de 3 TW (3 billones de julios por segundo), no podemos extraer y convertir en un vector útil mucha potencia de aquí (los combustibles fósiles que quemamos andan por los 12 TW de energía calorífica); dejaría de ser renovable.

Necesitamos vectores energéticos para transformar las fuentes primarias de energía en vectores energéticos. Estamos pues en un sistema complejo y autorreferente. De aquí surge el primer concepto de la TRE adecuado y quizás útil. Voy a llamarlo TREst (TRE estándar): TREst es el cociente entre la cantidad de vectores energéticos (flecha (1) de la figura 1) (medida en Julios, aunque habría que distinguir entre Julios caloríficos, Julios eléctricos, etc.) y la energía contenida en los vectores energéticos empleados para producir esos vectores energéticos (flecha (2) de la figura 1).

 

TREst = (1)/(2)       (eq 0)

 

Confundir la flecha roja (1) con la naranja (de la figura 1) es un error más habitual de lo que debiera. Por tanto, toda metodología que diga que “se necesita un barril de petróleo para extraer 20 barriles de petróleo” para concluir que la TRE del petróleo es 20, es demasiado débil. Ni siquiera es muy útil expresarlo así: “se necesita el contenido calórico de un barril de petróleo para extraer 20 barriles de petróleo”. Lo que sería más útil no es irse a la fuente primaria de energía que no es una energía usable, sino irse a: “se necesita el contenido energético de un litro de gasolina para obtener 5 litros de gasolina”. El error es el mismo que tratar de calcular la TRE del hierro. Puede ser interesante calcular cuánta energía necesitamos para extraer y procesar un kilo de hierro o un barril de petróleo porque entre otras cosas lo necesitemos para calcular una TRE. Pero no es TRE hablar de barriles que hacen barriles.

En forma de vectores energéticos, nuestra sociedad dispersa al año (en 2013) el equivalente al contenido energético que contienen 9311 Mtoe (millones de toneladas) de un petróleo que quemáramos directamente en una caldera (la fuente de estos datos y los que siguen es la AIE y sus diagramas Sankey después de solventar algunos errores típicos[1]). Para “construir” esos vectores, la industria implicada emplea 830 Mtoe. Por tanto, la ecuación anterior queda:

 

TREst =  (1)  /  (2) = 9311/830 = 11,2     (eq. 1)

 

Les pongo la evolución de la TREst mundial del metabolismo energético mundial de algunos años de las últimas décadas:

Figura 2. Valores de la TREst de la energía mundial. Parece tener un descenso lento a lo largo de las décadas. Si el factor fundamental fuera la eficiencia tecnológica debería subir y no bajar; eso significa que la mejora tecnológica en la extracción y procesado no “vence” las pérdidas causadas por la incorporación y explotación de “nuevas” fuentes primarias más “difíciles” o “pobres”. En el resto de la cadena de la figura 1, es difícil estimar esa evolución.

 

La TREst del mundo nunca ha superado en mucho los 10. Cuidado pues con esas frases de que “en 1920 se extraían 100 barriles de petróleo con la energía de 1 barril y ahora solo 10”, esta comparación está solo al principio de una cadena metabólica larga y puede llevarnos a conclusiones equivocadas.

De hecho, convendrán conmigo que los vectores energéticos hay que trasladarlos al punto donde se usan y llevarlos cuesta vectores energéticos también (flecha (2) de la figura 1). De aquí se deriva el concepto de TREpou (point of use o punto de uso). Es decir, los petroleros, los barcos que transportan gas natural licuado, los camiones que llevan la gasolina a las gasolineras, etc. gastan fuel. No tengo estadísticas de esa energía a escala global pero por diversas fuentes (incluida la propia AIE) podemos decir que más de 120 Mtoe de energía dispersamos para llevar los vectores al punto donde la sociedad los demanda.

Esto hace que

 TREpou (año 2013) = (1)/[(2)+(3)] < 9311/(830+120) = 9,8      (eq.2),

 es decir, menor de 10.

Esta última TREpou debería ser en realidad la estándar que se utilizara siempre.

De los anteriores cálculos podemos extraer una primera conclusión: nuestro metabolismo energético no ha tenido una TRE superior a 10 probablemente nunca (para confirmarlo véase más adelante). Esto hace sospechoso cualquier cálculo de una TRE de un vector que supere con mucho el 10.

Es más, podemos sospechar que si una TRE de un nuevo vector fuera muy alta, muy probablemente sería una energía muy barata y se extendería rápidamente y al revés, existirá una correlación inversa entre TRE y precio del vector energético, porque a la sociedad le “cuesta” energía producir energía (por supuesto el mercado y los estados distorsionan esto mucho hasta hacer prácticamente inviable hablar de precio en relación al “valor”).

Sin embargo, si queremos profundizar en las características del metabolismo energético, hemos de pensar hacia dónde va la energía que usa la sociedad. Requerimos energía para:

 

Figura 3. El sector energético da toda la energía exosomática que requiere la sociedad y ésta la emplea en parte para alimentar el sector energético (flechas rojas)

 

Es obvio que en nuestra sociedad el sector terciario necesita del secundario y del primario, pero también al revés. En un metabolismo como el cuerpo humano el corazón, el músculo, el estómago y el cerebro se necesitan mutuamente. Aunque es mucho más simple, nuestra sociedad también.

Por tanto la TREst, que solo tiene en cuenta el punto 1.b. no es suficientemente indicativa de la “energía que se necesita para construir los vectores energéticos que el resto de la sociedad necesita”.

Es imprescindible ver qué parte del sector de la construcción se dedica al sector energético, por ejemplo, las refinerías y las plataformas petrolíferas las construyen y mantienen este sector. O qué parte del sector minero (fuera del carbón o uranio) se dedica a extraer materiales que se van a emplear luego en el sector energético (el hierro de las refinerías). Para ello se necesita una energía que no va al sector terciario ni al resto de los sectores secundarios (flechas rojas frente a las azules de la figura 3).

El proceso aquí implicado es complejísimo y genera el problema de dónde parar en las cuentas: ¿contabilizamos la energía que se requiere para hacer la máquina que extrae carbón? ¿contabilizamos la energía que se requiere para el casco del obrero que maneja la máquina que extrae carbón? ¿y la del microondas que calentó su bocadillo? ¿y la carretera que se hizo hace 20 años por la que pasó el trabajador para ir a la mina?

Finalmente todo mueve a todo (lo que incluye que el pasado mueve el presente y el futuro), pero esa dificultad no implica que no sea aún más interesante saber cuánta energía requiere el sector secundario para alimentar al 1.b., pues es condición sin la cual no podría funcionar ningún tipo de sociedad humana.

Pese a la enorme complejidad, a escala global y para todo el sistema, nos podemos hacer una idea de cuánto sería esta TREext (extendida); basta con suponer que el sector secundario que se dedica a mantener el sector energético es probablemente tan grande como requiera la propia TREext. Si la TRE de un sistema metabólico es muy alta, podemos suponer que las infraestructuras necesarias para mantener la parte energética es muy baja. Y a la inversa.

Este razonamiento lo podemos escribir de forma matemática así (figura 1):

Es decir, que al denominador de la TREpou calculada previamente (eq. 2) le añadimos un término más: la energía que consumen los sectores secundario y aquellos que dediquen parte de sus esfuerzos al sector energético dividido entre la TREext del propio sistema. Así, si la TREext fuera 100, este tercer término del denominador sería muy pequeño (si este sector absorbiera el 50% de los vectores energéticos, el término sería 200 veces inferior al numerador (1)), pero si la TREext fuera menor que 2, casi toda la energía se estaría dedicando a mover la máquina que crea los vectores energéticos. Es como si el estómago y los intestinos de un cuerpo humano pesaran la mitad del propio cuerpo, casi todos los alimentos servirían para mantener el estómago y los intestinos y no nos podríamos permitir tener cerebro o sexo.

El sector secundario (máquinas e infraestructuras) toman unos 5000 Mtoe del sistema, por tanto, despejando de la (eq. 3), la TREext, quedaría:

Esta TREext nos indica que nuestro sistema metabólico requiere, para alimentar energéticamente lo que no está dedicado a producir las infraestructuras materiales para producir los vectores energéticos, alrededor del 20-25% de los vectores energéticos que “fabrica”, siendo el otro 75-80% restante el que alimenta el resto de la sociedad (la agricultura, los servicios, el gobierno, nuestros hogares… y la industria y minería necesarias para la agricultura, los servicios etc., es decir, las flechas azules de la figura 3).

Por eso es insostenible (además de otras insostenibilidades) que una fuente primaria de energía, digamos el petróleo de “fracking”, necesite mucha energía solamente para su extracción (muchas infraestructuras, muchos camiones), porque luego, además, tiene que transformarse en gasolina. Si la TRE de un sistema metabólico no es muy alta, como es nuestro caso, una fuente que no tenga también una TRE alta puede ser un perjuicio más que un beneficio, aunque su TREst supere el valor de 1.

Todo se realimenta.

Carlos de Castro Carranza

 

 

 

 

 

 

 


[1] El numerador de la ecuación (eq. 0) y la ecuación que sigue (eq. 1) lo he obtenido de “Final energy consumption”: 9302 + “own use”: 830 – “non-energy use”: 821 = (1) del diagrama de Sankey de la AIE en Mtoe, utilizo el “own use” como el valor del denominador (2). Resulta que el gas natural y el petróleo se usan para producir materiales (son materia con energía potencial almacenada químicamente, no solo energía) que no terminan como vectores energéticos (plásticos, fertilizantes…), es absurdo sumarlos como hacen muchos cuando hablan de barriles de petróleo. Sumo el “own use” porque las industrias de la energía son parte de la sociedad.

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4 Responses to Algunos conceptos erróneos de la TRE (tasa de retorno energético) y algunos cálculos menos incoherentes

  1. Excelente explicación de porqué la energía es un pre-requisito y el crecimiento de la era industrial esta cimentado en el pequeño tamaño del sector energético en relación con el resto (una enorme subvención en forma de capital natural)

    La referencia intuitiva a que el precio y el valor “social” son diferentes requeriría una más extensa explicación sobre las llamadas magnitudes económicas que intentan emular a las magnitudes físicas pero que no pueden. Son meras pseudomagnitudes o pseudomedidas, a las que estamos tan acostumbrados que nos es difícil cuestionar.

    En todo caso,me parece que la TRE es un argumento de peso contra la narrativa del crecimiento verde, crecimiento sostenibles o cualquier otra denominación con la que se intenta evadir la realidad. En realidad, los que lo propugnan lo hacen a efectos de mera propaganda, pues saben que el sistema económico actual está diseñado como un sistema cerrado sin intercambio con el entorno, maquina de movimiento perpetuo, sin esa premisa, la axiomática se derrumba (J.M Naredo). Fuera de la definición de lo económico que da la ciencia económica dominante, dominio restringido, no existen valores de cambio o uso, y lo que no tiene esos valores no queda registrado ni tiene relevancia.

  2. Buenas, muchas gracias por el articulo, porque este responde a una duda que tenia en un estudio mental de la TRE “neta” para la sociedad, ya que en otros blog he leído la definición de la TRE pero no se había planteado realmente la cantidad neta de toda esa energía que llega a la sociedad. Ahora me gustaría que contestasen a una pregunta. ¿Sí a la TREext le aplicamos la tasa de declinación de producción global de combustibles fósiles y los rendimientos decrecientes en energía neta extraída, es decir; perdemos cantidad y calidad de combustible para está sociedad, puesto que vamos a superar el peak de producción de todos los combustibles fósiles, en breve tiempo, estimemos para el 2020, en cuanto tiempo esa TREext de “20-25% de los vectores energéticos que “fabrica”, siendo el otro 75-80% restante el que alimenta el resto de la sociedad” como han descrito anteriormente, pasaría a ser 40% “fábrica” 60% “sociedad”, 60% “fábrica” 40% “sociedad” y por último 80% “fábrica” 20% “sociedad” ?? Muchisimas gracias, por todo el labor que personas como ustedes, están intentando hacer público este problema y ponen su granito de arena para intentar solucionarlo.

  3. La fuente de energía primaria mas vasta puede ser la antrópica (baja densidad energética), la cual también deriva del sustrato biológico (también baja densidad) su energía. Si incluimos estas dos cuentas el TRE seria menor. Si la TRE, considerando la antropica disminuye podría ser un efecto de que las condiciones de reproducción materiales se están deteriorando y requerimos de fuentes de energía con mayor densidad y con las renovables iríamos a la inversa de lo necesario para existir.

  4. • Considero importante el cálculo de la Tasa de Retorno Energética (TRE), como un indicador del esfuerzo necesario para obtener cierta cantidad de energía útil para la sociedad. En ese sentido, olvidamos el contenido energético que los alimentos (vegetal, animal) proporcionan al ser humano, los alimentos que consumimos nos aportan la energía vital que nuestro organismo gasta durante el día y ésta energía potencial nos permite realizar trabajo. La energía del ser humano utilizada para extraer la energía a consumir, es tomada en cuenta en ésta nueva definición de cálculo de la fracción de energía útil/energía necesaria, sin embargo, otros aspectos a tomar en cuenta podrían ser la energía asociada al sostenimiento del ser humano (alimentos), el cual le permita a seguir contribuyendo a realizar trabajo para la extracción de la energía útil.

    • Asimismo, creo necesario tomar en cuenta la energía ahorrada al mejorar la calidad de los productos. Por ejemplo, las refinerías de petróleo hacen uso de equipos que permiten extraer componentes como el azufre del crudo, dañinos para la salud humana, a coste de mayor inversión y como consecuencia, mayor gasto energético, sin embargo, esta inversión de energía nos permite ahorrar la energía que podríamos gastar en el cuidado de la salud humana y todos los perjuicios que conllevan las emisiones de gases de efecto invernadero. De la misma forma en el caso de las nucleares, se invierte energía durante muchos años para aislar los desechos radiactivos, pero se evitan así los perjuicios que podrían darse en la sociedad y en la naturaleza, a corto plazo era fácil desechar esos residuos al mar pero a largo plazo eso tendría implicancias negativas que podrían cuantificarse en energía.

    • En conclusión, al cálculo de la TRE es necesario añadir la energía que ahorramos gracias a un determinado proceso y el componente de la energía vital del ser humano para realizar trabajo con el objetivo de la extracción, transformación y transporte de ésta energía. Si la proporción de energía invertida y obtenida disminuye con el tiempo es porque se están haciendo esfuerzos para evitar el gasto energético en otros aspectos, el cambio climático podría ocasionar grandes desastres en la naturaleza y con ello hacer mayor uso de la energía para seguir con una vida sostenible.

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