Emergencia climática (IV): Huesos de acero y músculos de hormigón
In 2021 the International Energy Agency (IEA) issued a report declaring, for the first time, that countries must stop approving coal-based power-generation plants as well as oil and gas wells. The report also indicates that all countries must rapidly phase out fossil-fuel-based vehicles in order to achieve the goal of net-zero emissions by 2050 (1).
We currently use fossil fuels to produce basic requirements of our societies, such as concrete, steel, plastics, and ammonia for agricultural fertilizers (see post on the Haber-Bosch reaction). Their production has increased exponentially since the beginning of the industrialization, in the late eighteenth century, in parallel to the growth of the human population of our planet.
Our society is sustained by steel bones and concrete muscles, its blood is diesel and gasoline, its skin is plastic, and it is fed by fertilizers. All of them are manufactured using fossil fuels. Every year, 5 tons of concrete are manufactured for each inhabitant of the planet and she/he uses, on average, 700 times more energy than a person in the year 1800, consuming the equivalent of 800 kg of crude oil per year (2). Will we be capable of abandoning this addiction?
Golden Gate Bridge, San Francisco: Steel, Concrete, Plastic, and Fossil Fuels /
Puente del Golden Gate, San Francisco: acero, hormigón, plástico y gasolina
According to Vaclav Smil, China produced in 2018 and 2019 almost as much cement as the U.S. produced during the twentieth century. The manufacture of the four basic materials (cement, steel, plastic, and ammonia) consume 17% of the world’s energy supply (3).
With the help of experts in finance and various scientific fields, Bill Gates recently published How to Avoid a Climate Disaster (4) where he has focused on what must be done in order to stop the planet's slide into certain environmental disaster. Gates indicates that industry—for example, the manufacture of cement, steel, plastics, ammonia for fertilizers, etc. —generates about 31% of CO2 emissions. Electricity production adds 27%, farming 19%, and transportation of people and goods 16%. Heating and cooling homes and workplaces adds another 7% (4). Natural gas reduces CO2 emissions by 50% compared to coal, but it is not a solution because we must go down to zero emissions by 2050. He proposes to achieve a manufacturing-cost reduction of cement, steel, and food by replacing current technologies with those that do not generate CO2. In order to do so, it is necessary to invest enough to generate a green economy through innovation and to develop a market for the products. Although there already are innovative projects, more are needed because those already initiated—such as green hydrogen or aviation fuel of plant origin—can ultimately fail.
Gates believes that it may be necessary to maintain nuclear energy during some time, as long as it is safe to do so. Today 450 nuclear plants exist worldwide, 25% of them in the USA. They supply globally 10% of electricity (20% in the USA). Nuclear energy would prevent shortages caused by weather irregularities, such as lack of wind or sun, and during long winter storms (4). However, the serious issue of management of radioactive waste still remains. Its half-life (the time in which the radioactive emission is reduced to half of the initial effluence) can extend through tens of thousands of years in some cases.
There are multiple ways under development to reduce CO2 in the atmosphere, in addition to its natural fixation in plants through photosynthesis (5,6). Artificial fixation would capture CO2 from the air for storage or utilization, including the production of carbon-neutral fuel—a technology that would balance emissions of CO2 with its removal. These new technologies, notwithstanding their having made significant progress, currently do not seem to contribute enough capacity to maintain or significantly reduce the concentration of this greenhouse gas (7,8). Until these technologies improve their capacity to remove CO2 from the atmosphere, an easy measure is to stop deforestation and to restore as many forests as we can. Of the CO2 we emit, about half remains in the atmosphere, the ocean captures just under 25%, and the earth's surface just over 25%, essentially thanks to trees. Reforestation could double CO2 capture in territories such as the USA, which lost the equivalent of England's surface of forested areas around the 1850s (9). China is doing so on a massive scale, with its current forest increase of about 200,000 km2 (approximately 40% of Spain's surface). China's plans include planting 70 billion trees by 2030 (10). Costa Rica lost 70% of its tropical forest until 1980, but has since tripled the area recovered, thanks to a small tax on fossil fuels combined with its success as a tourist destination (8).
All countries must expedite now electrification of industries, farms, homes, buildings, and transportation—giving preference to public transportation—using renewable energy sources such as solar, wind, and geothermal, as much as possible. But this is just an intermediate step in the way to a zero emissions civilization by the year 2050, because at a global scale, only 38% of CO2 emissions come from electricity generation (8).
More about the climate emergency in coming posts. These are the links to the previous posts on the Climate Emergency in this web “On Science and Society”:
Versión en español
En 2021 la Agencia Internacional de Energía (AIE) emitió un informe declarando, por primera vez, que los países deben dejar de aprobar plantas de generación de electricidad a base de carbón, así como pozos de petróleo y gas. El informe también indicaba que todos los países deben eliminar rápidamente los vehículos basados en combustibles fósiles para alcanzar el objetivo de cero emisiones netas para 2050 (1).
Actualmente utilizamos combustibles fósiles para producir las necesidades básicas de nuestras sociedades, como hormigón, acero, plásticos y amoníaco para fertilizantes en la agricultura (ver publicación sobre la reacción Haber-Bosch). Su producción ha aumentado exponencialmente desde el inicio de la industrialización, a finales del siglo XVIII, en paralelo al crecimiento de la población humana de nuestro planeta.
Nuestra sociedad se sustenta por huesos de acero y músculos de hormigón, su sangre es diésel y gasolina, su piel es plástico y se alimenta gracias a fertilizantes. Todos ellos son fabricados usando energías fósiles. Cada año se fabrican 5 toneladas de hormigón por cada persona del planeta y esta usa, en promedio, 700 veces más energía que una persona en el año 1800, consumiendo el equivalente a 800 kg de petróleo crudo al año (2). ¿Seremos capaces de abandonar esta adicción?
Según Vaclav Smil, China produjo en 2018 y 2019 casi tanto cemento como Estados Unidos produjo durante el siglo XX. La fabricación de estos cuatro materiales básicos (cemento, acero, plástico y amoniaco) consume el 17% del suministro mundial de energía (3).
Con la ayuda de expertos en finanzas y diversos campos científicos, Bill Gates publicó recientemente “Cómo evitar un desastre climático” (4), donde se ha centrado en lo que se debe hacer para detener la marcha del planeta hacia un desastre ambiental seguro. Gates indica que la industria (por ejemplo, la fabricación de cemento, acero, plásticos, amoníaco para fertilizantes, etc.) contribuye con alrededor del 31% de las emisiones de CO2. La producción de electricidad agrega 27%, la agricultura 19% y el transporte de personas y bienes 16%. La calefacción y refrigeración de hogares y lugares de trabajo agrega otro 7% (3). El gas natural reduce las emisiones de CO2 en un 50% en comparación con el carbón, pero no es una solución porque debemos bajar a cero emisiones antes del año 2050. Propone lograr una reducción de los costes de fabricación de cemento, acero y alimentos mediante la sustitución de las tecnologías actuales por otras que no generen CO2. Para ello, es necesario invertir lo suficiente para crear una economía verde a través de la innovación y desarrollar un mercado para los productos. Aunque ya hay proyectos innovadores, se necesitan más, porque los ya iniciados, como el hidrógeno verde o el combustible de aviación de origen vegetal, pueden fracasar en última instancia.
Gates cree que puede ser necesario mantener la energía nuclear durante algún período de tiempo, siempre y cuando sea seguro hacerlo. Hoy en día existen 450 plantas nucleares en todo el mundo, el 25% de ellas en los Estados Unidos. Suministran globalmente el 10% de la electricidad (20% en los Estados Unidos). La energía nuclear evitaría la escasez causada por irregularidades climáticas, como la falta de viento o sol, y durante largas tormentas de invierno (3). Sin embargo, sigue existiendo el grave problema de la gestión de los residuos radiactivos. Su vida media (el tiempo en que la emisión radiactiva se reduce a la mitad de la inicial) puede extenderse a través de decenas de miles de años en algunos casos.
Existen múltiples formas en desarrollo para reducir el CO2 en la atmósfera, además de su fijación natural en las plantas a través de la fotosíntesis (5,6). La fijación artificial capturaría CO2 del aire para su almacenamiento o utilización, incluida la producción de combustible neutro en carbono, una tecnología que equilibraría las emisiones de CO2 con su eliminación. Estas nuevas tecnologías, a pesar de haber realizado progresos significativos, actualmente no parecen aportar suficiente capacidad para mantener o reducir significativamente la concentración de este gas de efecto invernadero (7,8). Hasta que estas tecnologías mejoren su capacidad para eliminar el CO2 de la atmósfera, una medida fácil es detener la deforestación y restaurar tantos bosques como podamos. Del CO2 que emitimos, en torno a la mitad queda en la atmósfera, el océano captura algo menos del 25% y la superficie terrestre algo más del 25%, esencialmente gracias a los árboles. Con reforestación se podría llegar a doblar la captura de CO2 en territorios como, por ejemplo, los EE.UU., que perdió el equivalente a la superficie de Inglaterra en zonas forestales sólo en torno a la década de 1850 (9). China lo está haciendo a escala masiva, con un aumento actual de sus bosques de cerca de 200.000 km2 (aproximadamente el 40% de la superficie de España). Los planes de China incluyen plantar 70.000 millones de árboles antes de 2030 (10). Costa Rica perdió un 70% de su bosque tropical hasta 1980, pero desde entonces ha triplicado la superficie recuperada, gracias a un pequeño impuesto sobre los combustibles fósiles combinado con su éxito como destino turístico (8).
Todos los países deben acelerar ahora la electrificación de industrias, granjas, hogares, edificios y transporte (dando preferencia al transporte público) tanto como sea posible, utilizando fuentes de energía renovables como la solar, la eólica y la geotérmica. Pero esto es únicamente un paso intermedio en el camino hacia una civilización de cero emisiones para el año 2050, porque a escala global, sólo el 38% de las emisiones de CO2 provienen de la generación de electricidad. (8).
Más sobre la emergencia climática en próximas publicaciones.
Estos son los enlaces a las publicaciones anteriores sobre la Emergencia Climática en esta web "On Science and Society (Sobre Ciencia y Sociedad)":
Images / Imágenes
Golden Gate Bridge, San Francisco / Puente del Golden Gate, San Francisco. Ronnie Macdonald from Chelmsford, United Kingdom, CC BY 2.0 <https://creativecommons.org/licenses/by/2.0>, via Wikimedia Commons. https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Golden_Gate_Bridge_18_(4255868083).jpg
References / Referencias
1. International Energy Agency. https://www.iea.org/reports/net-zero-by-2050. Accessed on June 11, 2021.
2. Vaclav Smil. Numbers don’t lie. 71 Things You Need to Know About the World. Viking, London, UK, 2020.
3. Vaclav Smil. How the World Really Works. A Scientist’s Guide to Our Past, Present and Future. Penguin Random House UK. London, 2022.
4. Bill Gates. How to Avoid a Climate Disaster: The Solutions We Have and the Breakthroughs We Need. Kindle eBook, Penguin, London, 2021.
5. Beerling, D.J., Kantzas, E.P., Lomas, M.R. et al. Potential for large-scale CO2 removal via enhanced rock weathering with croplands. Nature 583, 242–248 (2020). https://doi.org/10.1038/s41586-020-2448-9.
6. Robert F. Service. The carbon vault. Industrial waste can combat climate change by turning carbon dioxide into stone. Science 04 Sep 2020: Vol. 369, Issue 6508, pp. 1156-1159. DOI: 10.1126/science.369.6508.1156. https://science.sciencemag.org/content/369/6508/1156.full.
7. Robert F. Service. New generation of carbon dioxide traps could make carbon capture practical. Science. DOI:10.1126/science.abi6883. https://www.sciencemag.org/news/2021/03/new-generation-carbon-dioxide-traps-could-make-carbon-capture-practical.
8. Justin Gillis, Hal Harvey. The Big Fix. 7 Practical Steps to Save our Planet. Simon & Schuster. New York, NY, 2022.
9. James Belich. Exploding Wests: Boom and Bust in Nineteenth-Century Settler Societies. In Natural Experiments of History. Jared Diamond & James A. Robinson, eds., The Belknap Press of Harvard University Press, Cambridge, Massachusetts, 2011.
10. Yujie Niu, Victor Squires, Anke Jentsch. Risks of China’s increased forest area. Science 379 (6631): 447-448, 2023. https://www.science.org/doi/10.1126/science.adg0210. Accessed February 26, 2023.