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Toda conversión de energía viene determinada por unos pocos principios esenciales. Cualquier energía puede convertirse en calor (energía térmica). La energía nunca se pierde. La conservación de la energía, la primera ley de la termodinámica, es una realidad universal fundamental. A lo largo de las cadenas de conversión, el potencial de trabajo útil disminuye constantemente (recuadro 1.2). Esta realidad inexorable constituye la segunda ley de la termodinámica, que define la entropía como la medida asociada con esta pérdida de energía útil. En otras palabras, aunque el contenido energético del universo es constante, las conversiones de energía aumentan su entropía y, por tanto, disminuyen su utilidad. Una cesta de cereales o un barril de crudo son depósitos de energía de baja entropía capaces de generar mucho trabajo útil una vez metabolizados o quemados, pero terminarán por convertirse en movimiento aleatorio de moléculas de aire ligeramente calentadas, estado altamente entrópico e irreversible que representa una pérdida irrecuperable de utilidad.

La disipación entrópica unidireccional conduce a una menor complejidad y un mayor desorden y homogeneidad en cualquier sistema cerrado. Sin embargo, todo organismo vivo —desde una diminuta bacteria hasta una civilización global— desafía temporalmente esta tendencia importando y metabolizando energía exterior. Esto significa que un organismo vivo es un sistema abierto capaz de mantener un flujo continuo de entrada y salida de energía y materia con el entorno. Mientras estén vivos, estos sistemas no pueden estar en un estado de equilibrio químico y termodinámico (Prigogine, 1947, 1961; Von Bertalanffy, 1968; Haynie, 2001). Su neguentropía —su crecimiento, renovación y evolución— genera como resultado una mayor heterogeneidad y una creciente complejidad estructural y sistémica. Igual que ocurre con muchos otros avances científicos, no obtuvimos una comprensión clara y coherente de este fenómeno hasta el siglo XIX, cuando la física, la química y la biología se preocuparon por estudiar las transformaciones de energía al mismo tiempo (Atwater y Langworthy, 1897; Cardwell, 1971; Lindsay, 1975; Müller, 2007; Oliveira, 2014; Varvoglis, 2014).

RECUADRO 1.2

Utilidad decreciente de la energía convertida

Cualquier forma de conversión de energía sirve para ilustrar este principio. Supongamos que un lector usa luz eléctrica para iluminar esta página. La energía electromagnética de la luz representa una pequeña parte de la energía química contenida en la masa de carbón utilizada para generarla (en 2015 se utilizaba carbón para producir el 33% de la electricidad generada en Estados Unidos). Al menos el 60% de la energía del carbón se transforma en calor en la propia planta de energía termoeléctrica donde es quemado. Si el lector utiliza una bombilla incandescente, más del 95% de la electricidad entregada se transforma en calor porque el metal del filamento de la bombilla ofrece resistencia a la corriente eléctrica. La luz que llega a la página es absorbida o reflejada y absorbida por su entorno para finalmente irradiarse como calor. Al final del proceso, la energía química del carbón —que se hallaba en estado de baja entropía— se ha transformado en calor difuso, altamente entrópico y apenas perceptible, repartido entre la planta de energía termoeléctrica, los cables eléctricos, la bombilla, la página del libro y el entorno. No se ha perdido ninguna energía, pero una forma de energía muy útil ha sido degradada hasta el punto de no tener ninguna utilidad práctica.

En aquel momento surgió la necesidad de disponer de medidas estándar. Dos unidades de medición de energía se volvieron comunes: la caloría (una unidad métrica) y la unidad térmica británica (BTU, por sus siglas en inglés). Actualmente la unidad energética básica es el joule o julio. Debe su nombre al físico inglés James Prescott Joule (1818-1889), que publicó el primer cálculo preciso de equivalencia entre trabajo y calor (recuadro 1.3). La potencia es la tasa de un flujo de energía. Su primera unidad estándar, el caballo de fuerza, fue establecida por James Watt (1736-1819). Quería que el valor de sus máquinas de vapor resultara fácil de entender, por lo que eligió compararlas con el motor primario que tenían que reemplazar, esto es, un caballo de tiro que generalmente hacía funcionar un molino o una bomba de agua (figura 1.3, recuadro 1.3).

Otro concepto importante es el de densidad de energía, la cantidad de energía por unidad de masa de un recurso dado (recuadro 1.4). Esta medida es una característica fundamental de los alimentos: incluso cuando abundan, los alimentos con una baja densidad de energía no pueden convertirse en alimentos básicos. Los habitantes prehispánicos del golfo de México, por ejemplo, comían muchos higos chumbos porque crecían en todas las especies de cactus del género Opuntia y, por tanto, resultaban fáciles de recolectar (Sanders, Parsons y Santley, 1979). Sin embargo, como ocurre con muchas frutas, la pulpa del higo chumbo está compuesta sobre todo de agua (cerca del 88%), contiene menos del 10% de carbohidratos, un 2% de proteínas y un 0,5% de lípidos, y tiene una densidad de energía de solo 1,7 MJ/kg (Feugang et al., 2006). Esto significa que incluso una mujer pequeña que quisiera sobrevivir a base de carbohidratos de higo chumbo (suponiendo, de manera poco realista, que no necesitara obtener los otros dos macronutrientes) tendría que comer 5 kg de esta fruta todos los días, mientras que podría obtener la misma cantidad de energía con solo 650 g de maíz molido consumido en forma de tortillas o tamales.

RECUADRO 1.3

Medir energía y potencia

Oficialmente, un julio se define como la cantidad de trabajo realizado por una fuerza constante de 1 newton aplicada a lo largo de 1 m de longitud. Una unidad básica de energía también puede definirse como un requisito de calor. La definición oficial de una caloría es la cantidad de calor necesaria para elevar la temperatura de 1 cm³ de agua en 1 °C. Es una cantidad de energía pequeña. Hacer lo mismo con 1 kg de agua requiere mil veces más energía, es decir, una kilocaloría (el anexo «Medidas básicas» contiene una lista completa de prefijos multiplicadores). Dada la equivalencia entre calor y trabajo, todo lo que se requiere para convertir calorías en julios es recordar que una caloría equivale aproximadamente a 4,2 J. La conversión a BTU también es muy sencilla. 1 BTU contiene cerca de 1.000 J (exactamente 1.055). Un buen baremo comparativo es la ingesta diaria media de alimentos. Para un adulto moderadamente activo es de 2-2,7 Mcal o 8-11 MJ (y 1 kg de pan integral suministra 10 MJ).

En 1782, James Watt calculó que un caballo de molino trabajaba a una velocidad de 32.400 pie-libras/minuto —al año siguiente redondeó el cálculo a 33.000— (Dickinson, 1939). Supuso una velocidad promedio de unos 3 pies/segundo, pero no sabemos por qué fijó la capacidad media de tiro en cerca de 180 libras. Algunos animales especialmente fuertes podían alcanzar tal capacidad, pero en la Europa del siglo XVIII la mayoría de caballos no podían sostener un ritmo de trabajo de un caballo de fuerza. La unidad de potencia estándar actual, el vatio, es igual a un flujo de un julio por segundo. Un caballo de potencia equivale a cerca de 750 W (exactamente 745,699). El consumo diario de 8 MJ de alimento corresponde a una potencia de 90 W (8 MJ / 24 h × 33 3.600 s), menos que una bombilla estándar (100 W). Una tostadora doble necesita 1.000 W (1 kW); los coches pequeños entregan alrededor de 50 kW; una central grande de carbón o energía nuclear produce electricidad a un ritmo de 2 GW.

La densidad de potencia es la tasa a la que se produce o consume energía por unidad de área y, por consiguiente, es un determinante estructural crítico de cualquier sistema de energía (Smil, 2015b). El tamaño de las ciudades en las sociedades tradicionales, por ejemplo, dependía de la leña, y el carbón vegetal estaba claramente limitado por la densidad de potencia inherentemente baja de la producción de fitomasa (recuadro 1.5, figura 1.4). La densidad de potencia del crecimiento anual sostenible de los árboles en climas templados es igual (como máximo) al 2% de la densidad de potencia del consumo de energía urbano tradicional de calefacción, cocina y manufactura. Por consiguiente, las ciudades tuvieron que utilizar áreas cercanas de al menos 50 veces su tamaño para el suministro de combustible. Esta situación limitó su crecimiento incluso cuando otros recursos, como la comida y el agua, eran suficientes.

Figura 1.3 Dos caballos hacen girar el cabrestante de una bomba de agua de pozo en una fábrica francesa de alfombras de mediados del siglo XVIII (fuente: Enciclopedia [Diderot y D’Alembert 1769-1772]). Un caballo medio de la época no podía mantener una tasa de trabajo estable de un caballo de potencia. James Watt exageró la cantidad de caballos de potencia de sus máquinas de vapor para garantizar la satisfacción de los clientes que reemplazaban a los animales uncidos.

RECUADRO 1.4

Densidad de energía de alimentos y combustibles

Clasificación	Ejemplos	Densidad de energía (MJ/kg)
Alimentos
Muy baja	Verduras, frutas	0,8-2,5
Baja	Tubérculos, leche	2,5-5,0
Media	Carne	5,0-12,0
Alta	Cereales y leguminosas	12,0-15,0
Muy alta	Aceites, grasas animales	25,0-35,0
Combustibles
Muy baja	Turba, madera verde, hierba	5,0-10,0
Baja	Residuos de cultivo, madera	12,0-15,0
	secada al aire libre
Media	Madera seca	17,0-21,0
	Carbón bituminoso	18,0-25,0
Alta	Carbón vegetal, antracita	28,0-32,0
Muy alta	Petróleo crudo	40,0-44,0

Fuentes: Watt (1973), Jenkins (1993) y USDA (2011).

Una tasa que ha adquirido mayor importancia con el avance de la industrialización es la eficiencia de las conversiones de energía. Se trata de una relación de salida/entrada (output/input) que describe el rendimiento de los convertidores de energía (estufas, motores y luces). Aunque no podemos evitar la disipación entrópica, podemos reducir la cantidad de energía necesaria para realizar ciertas tareas y de este modo mejorar la eficiencia de las conversiones (recuadro 1.6). A pesar de que estas mejoras siempre estarán limitadas por factores mecánicos y termodinámicos fundamentales, en los últimos años hemos llevado algunos procesos muy cerca de los límites prácticos de eficiencia, aunque en muchos otros casos —incluidos convertidores de energía tan comunes como el motor de combustión interna o la luz— queda mucho por hacer.

RECUADRO 1.5

Densidad de potencia de los combustibles de fitomasa

La fotosíntesis transforma menos del 0,5% de la radiación solar en nueva fitomasa. Las productividades anuales más altas de leña de especies tradicionales de crecimiento rápido (álamo, eucalipto, pino) nunca han superado las 10 t/ha y en regiones más secas siempre se han situado entre 5 y 10 t/ha (Smil, 2015b). La densidad de energía media de la madera seca es de 18 GJ/t, de forma que una cosecha de 10 t/ha equivaldría a una densidad de potencia de 0,6 W/m²: (10 t/ha × 18 GJ) / 3,15 × 107 (segundos en un año) = ~ 5.708 W; 5.708 W / 10.000 m² (ha) = ~ 0,6 W/m². Una ciudad grande del siglo XVIII requería al menos 20-30 W/m² de área construida para calefacción, cocina y manufactura artesanal, y su leña tenía que provenir de un área 30-50 veces mayor que su superficie.

Las ciudades requerían mucho carbón vegetal —era el único combustible preindustrial no fumígeno y, por tanto, era muy codiciado para la calefacción de interiores en todas las sociedades tradicionales—, que implicaba una pérdida sustancial de energía adicional. A mediados del siglo XVIII la proporción típica entre carbón vegetal y madera era de 1:5, de tal manera que la eficiencia de esta conversión (con madera seca a 18 GJ/t y carbón [carbono prácticamente puro] a 29 GJ/t) era del 30% (5 × 18 / 29 = 0,32), mientras que la densidad de potencia de las cosechas de madera destinadas a la producción de carbón vegetal era de solo 0,2 W/m². Esto significa que las grandes ciudades preindustriales ubicadas en un clima templado septentrional y muy dependientes del carbón vegetal (como Xi’an o Pekín, en China) habrían requerido un área boscosa al menos 100 veces mayor que su tamaño para garantizar un suministro continuo de combustible.

Figura 1.4 Proceso de carboneo en la Inglaterra de principios del siglo XVII representado en Silva, de John Evelyn (1607).

RECUADRO 1.6

Mejoras de eficiencia y paradoja de Jevons

El progreso técnico ha traído consigo numerosas e impresionantes mejoras de eficiencia y la historia de la iluminación es un magnífico ejemplo de ello (Nordhaus, 1998; Fouquet y Pearson, 2006). Las velas solo convierten el 0,01% de la energía química del sebo o la cera en luz. En la década de 1880, las bombillas de Edison eran diez veces más eficientes. En 1900, las centrales eléctricas de carbón tenían una eficiencia del 10% y las bombillas convertían no más del 1% de la electricidad en luz y, por tanto, el 0,1% de la energía química del carbón se transformaba en luz (Smil, 2005). Las mejores centrales de ciclo combinado actuales —que usan gas caliente proveniente de una turbina de gas para producir vapor que alimenta una turbina de vapor— tienen una eficiencia cercana al 60%, mientras que las luces fluorescentes y los diodos emisores de luz —más conocidos como LED, por sus siglas en inglés— tienen eficiencias de hasta el 15% (USDOE, 2013). Esto significa que cerca del 9% de la energía del gas natural se convierte en luz, lo cual supone una mejora de eficiencia del 9.000% desde la década de 1880. Este tipo de mejora ahorra capital y gastos de funcionamiento y reduce el impacto ambiental del sistema.

Sin embargo, la mejora de la eficiencia de conversión no necesariamente desemboca en un ahorro real de energía. En 1865, el economista inglés Stanley Jevons (1835-1882) señaló que la adopción de máquinas de vapor más eficientes había generado un gran incremento en el consumo de carbón y concluyó: «Sería una equivocación suponer que el uso más eficiente de un combustible suscita una reducción del consumo. En realidad, ocurre lo contrario. Los nuevos modelos económicos suelen generar un aumento del consumo. Tenemos muchos ejemplos de ello» (Jevons, 1865: 140). Este principio ha sido confirmado por muchos estudios posteriores (Herring, 2004, 2006; Polimeni et al., 2008), aunque en los países ricos —cuyo consumo de energía per cápita está cerca del nivel de saturación— el efecto ha ido debilitándose.

Cuando se calcula la eficiencia de la producción de alimentos (energía de los alimentos/energía de los recursos para conseguirlos), combustibles o electricidad suele emplearse la expresión retorno de energía. El retorno de la agricultura tradicional —que utilizaba solo mano de obra humana o animal— tenía que ser claramente superior a uno: la cosecha (comestible) tenía que contener más energía que el alimento y pienso consumidos por las personas y los animales que producían los cultivos (y todos los que dependían de ellos).

Comparar el retorno de energía de la agricultura tradicional y moderna es un ejercicio complicado. La agricultura tradicional únicamente utilizaba energía humana y animal (e implicaba tan solo radiación solar transformada recientemente), mientras que la agricultura moderna está «dopada» por combustibles, fertilizantes, pesticidas y maquinaria agrícola. Por eso su retorno energético siempre será inferior al de un cultivo tradicional (recuadro 1.7).

Finalmente, la intensidad energética mide el coste de un producto, un servicio o una economía entera en unidades de energía estándar. Entre los materiales de uso común, el aluminio y los plásticos son muy intensivos en energía, el vidrio y el papel lo son relativamente poco y, si excluimos su coste fotosintético, la madera es el material menos intensivo en energía (recuadro 1.8). El progreso técnico de los últimos dos siglos ha mejorado mucho la intensidad energética de muchos procesos. El caso más destacado es el de la fundición de arrabio a base de coque en grandes altos hornos, que hoy requiere menos del 10% de energía por unidad de masa de metal caliente que la producción preindustrial de arrabio a base de carbón (Smil, 2016).

RECUADRO 1.7

Comparación de retornos de energía en la producción de alimentos

Desde la década de 1970 se utiliza el argumento del retorno de energía para defender que la agricultura tradicional es mejor que la moderna. Pero se trata de una comparación engañosa —o que, como mínimo, silencia una diferencia fundamental entre sendos retornos—. El retorno de la agricultura tradicional es un simple cociente entre la energía de los alimentos cosechados y la energía necesaria para producir la cosecha (esencialmente trabajo humano y animal). En la agricultura moderna, el denominador de la ecuación se compone sobre todo de combustibles fósiles no renovables utilizados para fabricar máquinas y productos químicos agrícolas e impulsar la maquinaria, mientras que el componente trabajo es prácticamente insignificante.

Si medimos el cociente entre energía comestible producida y trabajo, la agricultura moderna es muy superior a cualquier práctica tradicional porque no utiliza animales y emplea muy poca mano de obra humana. Si incluimos los combustibles fósiles y la electricidad en el coste de producción del cultivo moderno, entonces su retorno es muy inferior al de los sistemas tradicionales.

Este cálculo es posible porque existe una equivalencia física entre energías: tanto los alimentos como los combustibles pueden expresarse en unidades idénticas. Sin embargo, persiste un problema obvio de inconmensurabilidad o «peras y olmos»: no existe una forma del todo satisfactoria de comparar el retorno de sistemas que dependen de tipos de energía tan diferentes.

RECUADRO 1.8

Intensidad energética de materiales comunes

Material	Coste energético (MJ/kg)	Proceso
Aluminio	175-200	Metal de bauxita
Ladrillo	1-2	Cocido a partir de arcilla
Cemento	2-5	A partir de materias primas
Cobre	90-100	A partir del mineral
Explosivos	10-70	A partir de materias primas
Vidrio	4-10	A partir de materias primas
Gravilla	<1	Excavado
Hierro	12-20	A partir de mineral de hierro
Madera	1-3	A partir de árboles
Papel	23-35	A partir de árboles
Plásticos	60-120	A partir de hidrocarburos
Contrachapado	3-7	A partir de árboles
Arena	<1	Excavado
Acero	20-25	A partir de arrabio
Acero	10-12	A partir de chatarra
Piedra	<1	Cantera

Fuente: Smil, 2014b.

El coste energético de la energía (a menudo llamado EROI por sus siglas en inglés [Energy Return On Investment], aunque realmente convendría llamarlo EROEI [Energy Return on Energy Investment]), solo es una medida reveladora si se comparan valores calculados con métodos idénticos que utilizan hipótesis estándar y límites analíticos claros. Las sociedades modernas han favorecido el desarrollo de combustibles fósiles, cuyo retorno energético neto es el más elevado de todos. Este es uno de los motivos por los que hemos favorecido el crudo en general y los campos petrolíferos de Oriente Medio en particular; otras ventajas obvias son la alta densidad energética del petróleo y, por consiguiente, su fácil transportabilidad (recuadro 1.9).

RECUADRO 1.9

Retorno energético de la inversión energética (EROEI)

Existen grandes diferencias de calidad y accesibilidad entre combustibles fósiles de distintos tipos. Un estrato grueso de carbón bituminoso de buena calidad extraíble en una mina a cielo abierto no tiene nada que ver con las delgadas vetas subterráneas de carbón de baja calidad. Del mismo modo, los campos petrolíferos «supergigantes» de Oriente Medio no pueden compararse con los pozos poco productivos que requieren un bombeo constante. Por tanto, el EROEI puede variar sustancialmente en cada caso —y también mejorar con el desarrollo de nuevas técnicas de extracción—. Los siguientes EROEI son un indicador aproximativo de la diferencia que existe entre los distintos métodos de extracción y conversión (Smil, 2008a; Murphy y Hall, 2010). El EROEI de la producción de carbón oscila entre 10 y 80, y el de la producción de petróleo y gas, entre 10 y muy por encima de 100. El EROEI de grandes turbinas eólicas en emplazamientos muy ventosos puede acercarse a 20, aunque generalmente es inferior a 10. El EROEI de las células solares fotovoltaicas no es superior a 2; el de los biocombustibles modernos (etanol, biodiésel) es como máximo de 1,5, aunque no es poco común que su producción implique una pérdida de energía o ninguna ganancia neta (EROEI de 0,9-1).