La solución energética para un planeta en ebullición

Jul 23, 2023

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El jefe de la ONU, Antonio Guterres, anunció el jueves que las temperaturas récord de julio muestran que la Tierra ha pasado de una fase de calentamiento a una "era de ebullición global".

La absorción de calor de los océanos es la medida esencial del clima de la Tierra: el 93% del calor del calentamiento global va a los océanos. Donde en los trópicos los océanos se estratifican térmicamente, con agua más ligera cerca de la superficie y agua más densa a mayor profundidad.

Esta configuración actúa como una barrera para la mezcla eficiente de calor, carbono, oxígeno y nutrientes vitales para la vida acuática.

Una mezcla eficiente de estos ingredientes eliminaría todos los riesgos del cambio climático y al mismo tiempo produciría el doble de energía que la que se obtiene actualmente a partir de combustibles fósiles.

Un océano térmicamente estratificado se presta a la conversión de una parte del calor del calentamiento global para que funcione de acuerdo con las leyes de la termodinámica y al movimiento, a través de tubos de calor, del calor de la superficie hacia aguas profundas, donde ya no existe ningún tipo de amenaza ambiental.

El calentamiento global es un problema de termodinámica, regido por las leyes de la termodinámica.

La primera ley es la aplicación de la conservación de la energía al sistema y muestra cómo la energía, incluido el calentamiento global, puede cambiarse de una forma a otra, pero no puede crearse ni destruirse.

La segunda ley establece los límites de la posible eficiencia de un motor térmico y determina la dirección del flujo de energía, que siempre es de una región de mayor calor a una de menor calor.

La geoingeniería es un conjunto de tecnologías emergentes diseñadas para manipular el medio ambiente y compensar algunos de los impactos del cambio climático.

Estas tecnologías suelen dividirse en dos categorías: eliminación de dióxido de carbono y gestión de la radiación solar.

La geoingeniería termodinámica es una tercera vía. Es la conversión del calor del calentamiento global en energía productiva, como lo demostró por primera vez el griego Héroe de Alejandría en el siglo I d.C. con su Eólipile.

Mientras Hero demostró que su Aeolipile podía levantar un peso, en 1845, el físico inglés James Prescott Joule utilizó un peso que caía para hacer girar una rueda de paletas en un barril aislado para demostrar cómo esta energía mecánica elevaba la temperatura del agua en el barril.

Su equivalente mecánico al calor era una masa de 427 kilogramos que caía 1 metro contra un campo gravitacional de 1 G para aumentar la temperatura de 1 kilogramo de agua en 1° Celsius.

Esta equivalencia entre trabajo y energía térmica llevó a la formulación de la primera ley de la termodinámica.

La estratificación térmica del océano facilita la conversión de una parte del calor del calentamiento en trabajo de acuerdo con la primera ley.

El proceso mediante el cual se logra la conversión de calor en trabajo se conoce como conversión de energía térmica oceánica o OTEC, que es una de las pocas tecnologías de energía renovable no contaminantes capaces de entregar energía de carga base.

Pero no todos los OTEC se crean de la misma manera.

Con OTEC convencional, el agua es llevada a la superficie a través de tuberías masivas para condensar un fluido de trabajo después de que ha pasado a través de una turbina para producir energía después de que el fluido de trabajo se haya vaporizado por primera vez utilizando calor superficial. La eficiencia termodinámica de este proceso es sólo de alrededor del 3 por ciento y el 97 por ciento del calor superficial diluido por el agua fría se dispersa hacia los polos, que en el caso del Ártico se calienta 4 grados en el transcurso de 1.000 años en el al mismo tiempo que los trópicos se enfrían en la misma cantidad.

Este enfoque de surgencia es al menos dos veces y media menos eficiente que la geoingeniería termodinámica, que utiliza agua fría y caliente contiguas al evaporador y al condensador, no vierte agua fría cerca de la superficie del océano y utiliza tuberías de un orden de diámetro. más pequeño, reduciendo así el coste total del sistema en un tercio, bombea 1/200 de los fluidos y reduce en un tercio las pérdidas parásitas por bombeo de estos fluidos.

En su artículo "Cuantificación de la absorción de calor de los océanos a partir de cambios en la composición del oxígeno y el dióxido de carbono atmosféricos", un equipo internacional de científicos calculó la cantidad de calor ganado en el océano entre 1991 y 2016, sobre la base de la cantidad de oxígeno y dióxido de carbono atmosféricos. Liberado por el océano a medida que se calienta, descubrieron que el océano ganaba una media de 1,29 ± 0,79 veces 10 julios elevados a la 22ª potencia, lo que equivale a 409 teravatios al año.

En una solicitud de patente de 2007, el físico experimental Melvin Prueitt calculó que un sistema OTEC como la geoingeniería termodinámica, que utiliza un tubo de calor para transmitir calor tropical a aguas profundas, podría convertir alrededor del 7,6% del calor de la superficie en trabajo.

Cuatrocientos nueve teravatios de calor convertidos en trabajo con una eficiencia del 7,6 por ciento producen 31 teravatios de energía primaria, aproximadamente 2,1 veces más energía que la que actualmente se deriva de combustibles fósiles.

Aproximadamente una sexta parte de la electricidad mundial se produce actualmente mediante energía hidroeléctrica, lo que representa alrededor del setenta por ciento de nuestra producción actual de energía renovable.

La energía hidroeléctrica explota el potencial energético de la gravedad, de la misma manera que lo hizo el experimento de Joule, pero en un sistema abierto, la gravedad es superada por la evaporación que convierte el agua superficial en vapor que se eleva a una mayor elevación donde gana un mayor potencial gravitacional.

La diferencia de temperatura entre una superficie tropical y una profundidad de 1.000 metros, donde la temperatura es universalmente de unos 4 grados centígrados, tiene el mismo tipo de potencial hidráulico que la cabeza de una presa hidroeléctrica.

Cada grado centígrado corresponde a una altura hidráulica de 427 metros.

Mientras que la eficiencia de una presa convencional es de aproximadamente el 90 por ciento, la eficiencia de la geoingeniería termodinámica es de aproximadamente el 7,6 %.

Un mapa de OTEC muestra grandes áreas de la superficie tropical con una temperatura de 30 grados centígrados o más, por lo que un diferencial de temperatura entre la superficie y 1.000 metros de 26 grados, con una eficiencia del 7,6 por ciento, equivale a una altura teórica de 844 metros.

Esto entonces debe reducirse a la mitad porque la Geoingeniería Termodinámica es teóricamente un proceso irreversible, dejando una altura de 422 metros.

Sin embargo, la tasa de difusión del calor del océano desde una profundidad de 1.000 metros es de un centímetro por día a través de los 900 metros más profundos del océano y de 1 metro por día a través de los 100 metros de la capa mixta del océano. Entonces, el calor inicial no convertido regresa a la superficie en aproximadamente 226 años, donde puede reciclarse. En total, 13 veces, la Geoingeniería Termodinámica, con un 92,4 %, es incluso más eficiente que la hidroelectricidad.

La presa más alta del mundo, con 305 metros, es la presa Jinping en el río Yalong en China.

Y China también tiene la mayor instalación hidroeléctrica, la presa de las Tres Gargantas en el río Yangtze, con una altura hidráulica de 80,6 metros y una capacidad de 39,3 kilómetros cúbicos.

La Zona de Convergencia Intertropical es el mejor lugar para implementar la Geoingeniería Termodinámica porque se extiende por el ecuador y no se forman ciclones allí debido a la autocancelación del efecto Coriolis al pasar de positivo en el hemisferio norte a negativo en el hemisferio sur.

Tiene un ancho de aproximadamente 7 grados de latitud y cubre aproximadamente el 70 por ciento de la superficie tropical para un total de aproximadamente 28.000 kilómetros cuadrados, o aproximadamente 712 veces la superficie de la presa de las Tres Gargantas, multiplicado por 5,2 para la diferencia en las cabezas hidráulicas, equivale a 3700. veces el potencial eléctrico de la presa de las Tres Gargantas, que se estima costará 37.000 millones de dólares y tiene una capacidad instalada de 22.500 megavatios.

Prorrateando 22.500 megavatios y 37 mil millones de dólares al potencial eléctrico de 31 teravatios de la Geoingeniería Termodinámica con su costo estimado de 2,9 billones de dólares estimado y confirmado por Ron Baiman, Profesor Asociado de Economía en la Universidad Benedictina, y con la Coalición de Acción Planeta Saludable, la Geoingeniería Termodinámica es 17 veces y media más rentable que la presa de las Tres Gargantas.

Y aunque la presa de las Tres Gargantas tiene fines de control de inundaciones y navegación, así como para generación de energía, un catálogo de beneficios de la geoingeniería termodinámica más allá de la generación de energía enumera el enfriamiento de la superficie y la reversión de la emisión de gases de oxígeno y dióxido de carbono del océano a la atmósfera. a medida que el océano se calienta, la eliminación del combustible ciclónico de la superficie a las aguas profundas, la reducción del aumento del nivel del mar debido a la expansión térmica del océano - el coeficiente de expansión del agua del mar es la mitad a 1000 metros que en la superficie tropical - y el calor que se traslada a aguas profundas no está disponible para derretir los casquetes polares, producir sequías o incendios forestales, reducir las inundaciones y los impactos del calentamiento en la salud humana y la biodiversidad.

A un costo de 2,9 billones de dólares al año, la geoingeniería termodinámica es 3 billones de dólares más barata que los 5,9 billones de dólares que el Fondo Monetario Internacional ha estimado que es el costo ambiental de hacer negocios quemando combustibles fósiles.

Treinta y un teravatios de energía que a su vez enfrían la superficie del océano revertirían la emisión de gases de 4,3 gigatoneladas de dióxido de carbono del océano a la atmósfera. Y dado que el costo teórico de la eliminación de dióxido de carbono de la atmósfera es de 100 dólares por tonelada, este enfriamiento y producción de energía ahorraría el gasto de 430 mil millones de dólares para la eliminación de dióxido de carbono.

En combinación con la eliminación del coste medioambiental de la quema de combustibles fósiles, esta producción de energía sería, en la práctica, demasiado barata para medirla.

A escala, produciría electricidad a un costo de 1,1 centavos por kilovatio hora.

La eólica y la solar se promocionan como las mejores fuentes de energía renovable para sustituir a los combustibles fósiles, pero el Laboratorio Nacional de Energías Renovables de EE.UU. ha determinado que la superficie útil total para un parque eólico es de unos 250.000 metros cuadrados por megavatio de potencia y para la fotovoltaica es de unos 250.000 metros cuadrados por megavatio de potencia. 16.000 metros cuadrados por megavatio.

Considerando que la Geoingeniería Termodinámica produciría 200 megavatios de OTEC en 10.000 metros cuadrados de la superficie del océano, se trata de un concentrador solar 300 veces mayor que los dispositivos fotovoltaicos convencionales.

La Administración de Información Energética de EE.UU. afirma que las bombas de calor energéticas, alimentadas con electricidad de bajas emisiones, son la tecnología central en la transición global hacia una calefacción segura y sostenible.

Actualmente están disponibles en el mercado y son entre tres y cinco veces más eficientes energéticamente que las calderas de gas natural.

Reducen la exposición de los hogares a los aumentos de los precios de los combustibles fósiles y pueden proporcionar refrigeración y calefacción, lo que es responsable de 4 gigatoneladas de emisiones de dióxido de carbono al año o alrededor del 10% de todas las emisiones.

Al igual que una bomba de calor, la geoingeniería termodinámica mueve el calor a través de las fases de un fluido de trabajo de bajo punto de ebullición. Pero en el último caso esto es un viaje gratis. Además, cuanto más se calienta la superficie del océano, más energía produce este proceso y más eficiente se vuelve.

Un evaporador en la superficie hierve pasivamente el fluido de trabajo de la geoingeniería termodinámica, produciendo una presión que permite que el vapor fluya hacia el agua fría y profunda a una velocidad cercana a la del sonido, donde el vapor se condensa en un líquido que se bombea de regreso al superficie para completar el ciclo.

Este flujo de vapor es interrumpido por un motor térmico que convierte el trabajo en energía eléctrica con una pérdida de sólo alrededor del 4,8% en pérdidas de bombeo incurridas al devolver el fluido de trabajo condensado a la superficie.

En otras palabras, el sistema produce aproximadamente 12 veces más energía que la que consumen internamente las bombas.

Las bombas de calor suelen utilizar unas cinco veces menos energía en su modo de refrigeración que en su modo de calefacción, porque en climas fríos no hay tanto calor que pueda absorberse desde el exterior del sistema.

Dado que la geoingeniería termodinámica siempre está en modo de enfriamiento, es una forma altamente eficiente de enfriar la superficie. En parte porque siempre hay mucha más agua fría en los océanos que agua caliente, que en este último caso es la principal amenaza del calentamiento global.

El último obstáculo que debemos superar antes de que podamos llegar a una transición viable a los combustibles fósiles es la disponibilidad de materia prima.

Los océanos contienen 47 minerales y metales disueltos en solución, algunos de los cuales ya se están recolectando.

Las plataformas de geoingeniería termodinámica que recolectan el calor de la superficie para producir energía pasarían millones de toneladas de agua a través de sus intercambiadores de calor, que podrían adaptarse para extraer una parte de los 50 mil billones de toneladas de oligoelementos que se disuelven en solución en los océanos.

Por ejemplo, 31.000 plantas de geoingeniería termodinámica de un gigavatio moverían 124.000.000 de toneladas de agua por segundo a través de sus intercambiadores de calor. Esto significa que los 1,45 trillones de toneladas cortas de agua (la masa total del agua del océano) se trasladarían a estos intercambiadores de calor en unos 370 años.

La concentración de magnesio, valorada actualmente entre 12.000 y 15.000 dólares por tonelada, es de 1.272 partes por millón. Aproximadamente 3 veces la concentración de dióxido de carbono en la atmósfera, que teóricamente se contempla, debería eliminarse de la atmósfera a un costo de aproximadamente 100 dólares por tonelada.

El método de precipitar magnesio del agua de mar se conoce desde hace más de un siglo. Y las aleaciones de magnesio reducen en un tercio el peso de los elementos que eliminan el calor, como los intercambiadores de calor utilizados en la geoingeniería termodinámica, sin perder sus propiedades de transferencia de calor.

A 1272 partes por millón de los 1,45 quintillones de toneladas cortas de agua en el océano, el costo actual del metal se reduciría en varios órdenes de magnitud cuando se produjera como complemento de las operaciones de producción de energía de geoingeniería termodinámica.

En resumen, la Geoingeniería Termodinámica es el enfoque híbrido “Bomba de Calor”, “Tubo de Calor”, “Motor Térmico”, un enfoque holístico a los problemas del calentamiento global y la sustitución de combustibles fósiles.

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