Planteando el Debate Energético (II): Termodinámica Nuclear y Orden de Magnitud de las Fuentes de Energía

1.-¿La ciencia melancólica?

En el artículo anterior me centré en las posibilidades para una transición energética suave con la tecnología disponible a día de hoy. La conclusión es que el carbón, el gas y las centrales de fisión nuclear eran capaces de ofrecernos un abanico de posibilidades (con tecnologías disponibles o cercanas) que fuesen sustituyendo al petróleo a lo largo de los próximos cuarenta o cincuenta años sin entorpecer la convergencia económica de los países en desarrollo y garantizando un crecimiento razonable a los países más desarrollados.

Hoy quiero entrar en un terreno más especulativo, para preguntarme si existen fuentes de energía que permitan mantener en marcha la civilización industrial por un tiempo ilimitado. Algunos pueden objetar que esta pretensión de hacer un análisis de sostenibilidad fundamental es ociosa, y que “a largo plazo todos muertos”, y otros pueden hacerme notar que en cincuenta años el progreso técnico puede lograr cualquier resultado.

Yo no soy tan optimista. Incluso quemando carbón sin preocuparse de Kyoto, más de un siglo de consumo masivo de combustibles fósiles resulta poco probable. Y quienes esperen nuevas leyes naturales en las que basar la extracción de energía, pueden estar esperando a Godot. Creo que estamos a punto de entrar en una nueva revolución de la Física, pero me sorprendería mucho que afectase a la producción de energía (más bien será en la reinterpretación y ampliación de la mecánica cuántica). En definitiva, queridos co-freaks, os podeís olvidar de los motores gravíticos [1].


2.-Orden de magnitud del consumo energético de la civilización industrial y productividad energética de la agricultura.

A lo largo de la Historia, hasta hace 300 años, las únicas fuentes de energía relevantes eran las que resultan de dos procesos biológicos opuestos: la fotosíntesis utiliza la energía del sol para generar hidratos de carbono y la oxidación celular, que quema los hidratos de carbono producidos por la fotosíntesis mediante un proceso de altísima eficiencia termodinámica, llamado “ciclo de Krebs”. El tandem fotosíntesis-ciclo de Krebs mantiene en marcha el conjunto de la biosfera.

La humanidad ha hecho enormes esfuerzos por maximizar y utilizar hasta su máxima expresión estos dos procesos, pero a pesar de todos los esfuerzos, la agricultura y la ganadería no han sido capaz de mantener nunca una población superior a los 1.000 millones de habitantes, y esa población ha disfrutado de un nivel de vida uniformemente bajo, sufriendo periódicas hambrunas y con una significativa fracción de la población en el borde de la subsistencia.

Por eso, la idea de que los alcoholes y los biofueles puedan cubrir las necesidades económicas de una sociedad industrial próspera me parece absurda, y no simplemente absurda: absurda por un orden de magnitud.

El proceso de quema de alcohol en un motor de combustión interna es no más, sino significativamente menos ineficaz que la propia oxidación celular:

“El metabolismo de la glucosa en el ciclo de Krebs alcanza una eficiencia energética del 40% (…). Esto es mayor que la eficiencia de un motor de combustión interna (cerca del 20%) o de otros motores térmicos (alrededor del 35%)”

“Dentro de la Quimica”, Universidad Estatal de Oklahoma

La idea de utilizar productos agrícolas, es decir, comida para llenar el depósito de combustible y la idea de que eso pueda resultar viable económicamente, y el hecho de que se tiren zillones de euros en esta presunta “energía renovable”, da cuenta de que vivimos en una dictadura de los lobbies agrícolas.

Por supuesto, en cierto sentido los combustibles fósiles son el resultado de la fotosíntesis pasada, pero hace falta el precipitado de la biomasa producida durante millones de años para hacer funcionar los motores de combustión interna que mueven nuestra sociedad. Consumir el stock de energía fotosintética acumulada durante grandes periodos de tiempo puede ser relativamente viable (ya sea a través de la deforestación o consumiendo combustibles fósiles), pero el flujo puntual de energía fijada por este procedimiento no puede hacer girar las ruedas de esta sociedad.

En determinadas condiciones muy particulares, por ejemplo en los trópicos (con su alto nivel de irradiación solar), y dentro de un proceso de deforestación que utiliza nutrientes irremplazables, es posible producir biofuel con un balance energético positivo. Incluso en ese caso particular, la rentabilidad económica de la operación depende críticamente de la utilización intensiva de mano de obra muy barata. En el momento en que el biofuel pueda ser rentable como fuente de energía masiva, será porque el precio de una hora de trabajo, medido en unidades de energía sea muy bajo (dicho de otra forma: la energía debe ser muy cara por unidad de trabajo). Solo una brutal rebaja del nivel de vida general, hasta los niveles del Brasil rural puede hacer el biofuel rentable, y solo en un país tropical y dotado de amplias superficies susceptibles de ser deforestadas.

En definitiva, el biofuel es energía sostenible: como el resto de la agricultura, nos puede sostener al borde del hambre. Aunque si estamos al borde del hambre, seguramente se nos ocurrirá algo mejor que hacer con la comida que quemarla.

3.-Termodinámica de los procesos nucleares: fisión, breeders y fusión

Todos los procesos que conforman la vida ordinaria y la abrumadora mayoría de las actividades industriales dependen de la Química. Las reacciones químicas se producen entre las capas externas de los átomos, que están formadas de electrones. La fotosíntesis, la oxidación celular, la combustión interna, las reacciones químicas que proporcionan plásticos, la metalurgia… todos ellos son procesos químicos. Los procesos biológicos utilizan energía en general en pequeñas cantidades, y mediante reacciones altamente eficientes, y poco intensivas en energía. Los combustibles fósiles nos ofrecen más energía.

De las cuatro fuerzas de la naturaleza (gravedad, electromagnetismo y las dos interacciones nucleares (fuerte y débil)), solo operamos con las dos menos poderosas: la gravitación y el electromagnetismo.

Comparada con la energía que existe en el núcleo atómico, la de la corteza electrónica es insignificante. En particular, los procesos de físión nuclear permiten extraer por cada kilo de materia utilizada, unas 1000 veces más energía que la que genera, por ejemplo, el carbón.

Para entender la termodinámica de los procesos nucleares, voy a usar un pequeño gráfico (disculpas por hacerlo a mano: para verlo en grande, pinchad en él). Este gráfico, representa una analogía gravitatoria: los núcleos están situados a diferentes niveles, representando a mayor altura los átomos que pueden liberar más energía. Un núcleo atómico no puede existir establemente en la “pendiente”, porque se deslizaría hacia abajo (emitiría neutrones hasta estabilizarse). Por tanto, los isótopos estables de los elementos químicos están en un “valle de estabilidad local”, donde aún estando a gran altura, no se caen porque necesitan una cierta energía para abandonar ese pozo energético (del mismo modo que uno puede estar en la cima del Everest, en un pequeño hoyo, sin caerse). Ahora bien, si se salen de ese valle local pueden liberar toda esa energía.



Bien, simplificando mucho el funcionamiento de los procesos nucleares, la forma de materia ordinaria más estable que existe es el hierro-56. Todos los átomos más pequeños que el hierro-56 son, teóricamente capaces de producir energía mediante un proceso de fusión nuclear. Todos los núcleos a su izquierda podrían dividirse y emitir energía. El hierro es la forma de materia ordinaria de mínima energía, y por eso se habla del “valle del Hierro”. Aunque todos los núcleos distintos del Hierro son susceptibles de fisión o fusión con ganancias energéticas, en la práctica, solo los que están muy a la izquierda (como el hidrógeno) o muy a la derecha (como el uranio) se pueden usar como combustible nuclear.

El proceso de fisión ordinario, tal como se efectúa en los reactores nucleares disponibles consiste en la división de un átomo de uranio 235, un isótopo desgraciadamente poco abundante de ese elemento, y que es el verdadero combustible nuclear. Aunque la fisión libera muchas veces más energía que los procesos de combustión química, y aunque en conjunto el uranio es sumamente abundante, solo el 0.7% del uranio es del isótopo 235. Si solo dependiésemos del U-235 como material fisible, seguramente la energía nuclear, el carbón, el gas y el petróleo (junto con el ahorro energético) nos permitirían alimentar el crecimiento global hasta el s.XXII, pero dependiendo de la abundancia del uranio, iríamos justos. En realidad nadie sabe cuanto uranio hay, porque hace mucho que nadie se preocupa de buscarlo. Dado su actual nivel de demanda, el uranio es un material abundante, y en los años noventa, con el petróleo a 10$ y la energía nuclear paralizada, nadie se planteó seriamente la exploración.

Afortunadamente, aunque el isótopo estable del uranio no se puede utilizar directamente como material fisible, si que es susceptible de ser enriquecido y posteriormente utilizado como material de fisión. Para entender la lógica termodinámica de esta operación basta ver el diagrama anterior. Un breeder (o reactor de neutrones rápidos), aparte de producir energía nuclear por fisión, produce neutrones que pueden ser capturados por el uranio-238, convirtiéndose en plutonio-239 (en el gráfico se llama enriquecimiento). Es decir, transformándose en material fisible. El breeder es capaz de producir más material fisible del que consume.

Una máquina que produce más combustible del que consume puede parecer una imposibilidad termodinámica, pero no lo es: en este caso, el U-238 contiene grandes cantidades de energía (notese en el gráfico su altura sobre el valle del hierro), que no son accesibles por fisión ordinaria. El breeder hace esa energía accesible. Es como tener una canica en un pequeño valle en lo alto del Everest: basta un golpe para que la canica libere una gran cantidad de energía potencial gravitatoria. Hay que entender que los breeders no son una energía inagotable: simplemente hacen accesible la energía contenida en todos los átomos de U-238. Una vez hayamos fisionado todo el U-238 de la corteza terrestre, podemos despedirnos de la fisión. Pero hay 140 veces más U-238 que U-235. Así que las reservas de energía accesibles a los breeders son 140 veces mayores que las accesibles a las actuales centrales de fisión ordinaria. Eso es mucha mas energía de la que podremos necesitar en los próximos 1000 años.

Existen reactores breeder que han funcionado y aunque es difícil decir si son rentables (dado el sabotaje general hacia la tecnología nuclear), parece que no lo son, dado el actual precio del uranio. Esto no es sorprendente. Pero cuando el precio del uranio crezca, la tecnología breeder se va a reactivar.

En el lado izquierdo del valle del hierro están los átomos susceptibles de fusión. El hidrógeno se puede convertir en helio liberando enormes cantidades de energía. Desgraciadamente la fusión nuclear se produce solo a temperaturas altísimas, que ninguna vasija concebible puede soportar. Para contener el plasma supercaliente es necesario cargar magnéticamente el plasma y mantenerlo en suspensión mientras se verifica la reacción de fusión. La reacción se produce dentro de una gran bobina magnética (tokamak) y este sistema de contención se llama botella magnética.

Los problemas de construir una botella magnética que permita una reacción de fusión sostenida son enormes, ya que combinan las dificultades de dos ramas de la física de las que os recomiendo que os abstengais: mecánica de fluidos y electromagnetismo.

Los breeders, por su parte son una tecnología perfectamente alcanzable, en menos de quince años. No entiendo porque seguimos tirando el dinero de la gente en proyectos de fusión nuclear como el ITER, cuando las dificultades ingenieriles de los reactores de neutrones rápidos son mucho menores (poco mas que problemas de refrigeración). Es verdad que para construir la Estrella de la Muerte o para terraformar Marte necesitamos fusión, pero para la mayoría que tenemos ambiciones más modestas, nos sobra con los breeders

4.-La Transición Carbón

Uno de los mayores peligros que afrontamos en los próximos años es que los mecanismos de mercado no funcionen. En mercados intervenidos, centralizados y políticamente sensibles, donde además las compañías participantes tienen todos los problemas de agencia posibles, el cortoplacismo es posible.

El mecanismo que debería garantizar una evolución ordenada hacia la energía nuclear es que las compañias petroleras, comprendiendo que el precio del crudo va a ser más caro en los próximos años, decidan atesorar sus reservas. Es decir, para la que transición sea ordenada, las empresas deben ser especuladoras, y por tanto mantener el petróleo bajo tierra esperando al futuro en vez de intentar por todos los medios extraerlo para “mantener la producción”.

Si los agentes en los mercados son conscientes de la escasez energética futura, premiaran a las compañías que ahorren sus reservas, y los ejecutivos tendrán incentivos a suavizar la producción energética. Si los mercados están mal informados y valoran más los beneficios trimestrales que las reservas probadas (lo cual es posible si los gestores de los fondos son cortoplacistas), podemos ver una peligrosísima competición por instalar capital para extraer el petróleo sobrante lo más rápido posible.

Eso daría lugar a una situación subóptima con un pico de Hubbert del petróleo más retrasado, y una pendiente de bajada más pronunciada. (ver segundo gráfico ; el lector notará que ambas curvas encierran la misma área debajo, es decir la misma cantidad de petróleo total extraído [2]).




Esto abre la inquietante posibilidad de que el proceso de nuclearización empieze más tarde, y se tenga que hacer con menos energía fósil disponible. Afortunadamente como ya hemos visto, el pico del petróleo no es lo que cuenta: cuenta el pico fósil combinado.

Cuando se empiece a sintetizar petróleo a desde el carbón (sinfuel), el precio del propio carbón subirá y las nucleares serán inconfundiblemente más baratas (y el modelo francés resultará obviamente superior). Con una mayor producción eléctrica en carbón y el sinfuel cerrando (a duras penas) la brecha dejada por el pico del petróleo la creciente importancia de la energía en la economía mundial moverá a todos los agentes a demandar más energía nuclear, aparte de acabar con Kyoto. No se puede ganar en una economía global si los costes energéticos de los competidores son mucho más bajos.

El momento en que el sinfuel resulte rentable va a ser de enorme importancia: la energía del carbón, usada masivamente va a ser más cara que el petróleo, y con el fin del petróleo barato, y la energía del sinfuel como combustible, la transición a la nuclear será simultáneamente rentable y factible.


5.-Crecimiento infinito en un mundo finito

Una de las falacias marxistas que todavía prevalece es que el capitalismo necesita crecer para no colapsar catastróficamente. Este argumento es análogo a decir que la vida necesita colonizar nuevos territorios para no extinguirse; del mismo modo que los seres vivos tienden a convertir toda la materia disponible en copias genéticas de si mismos, el capitalismo tiende a convertir los recursos humanos y materiales en bienestar subjetivo. Por eso, si hay recursos no aprovechados, la libre empresa los moviliza. Pero si no existen esos recursos (en la terminología neo-marxista, el “exterior”), el capitalismo se limita a aprovechar los existentes con la misma imparcial eficacia. El capitalismo, como la vida, tiende a crecer, pero no necesita hacerlo.

En cierto modo, el agotamiento de la expansión física en la Tierra después del s.XIX y el fracaso de los programas de exploración espacial ha dejado una cierta sensación de estancamiento. Si el mundo es finito, ¿hacia donde crecer?

Bien, crecer es algo que ocurre en el espacio subjetivo, pero lo cierto es que la Humanidad esta creciendo también físicamente: hacia dentro. En ese sentido, los breeders son una asombrosa analogía: en el interior del núcleo del átomo está la energía que buscábamos.

En el s.XXI vamos a crecer hacia las fronteras del interior: la genética, la mecánica cuántica (que esta a punto de volver al centro de la escena científica), Internet, el teletrabajo, la realidad virtual…

¿Es posible el crecimiento infinito en un mundo finito? Los pliegues fractales del conjunto de Julia, y los infinitésimos del análisis no-estándar me hacen pensar si.


[1] Escribí estas líneas justo un día antes de la publicación del artículo de Dr. Franklin Felber, que precisamente describe la física de los motores gravíticos. Quizá debería retirarme del negocio de las predicciones.
[2] Y sin embargo el petróleo “neto” una vez detraidas pérdidas energéticas seguramente sería menor en el caso cortoplacista, porque se usarían técnicas mas marginales de extracción.