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Pensamientos de alto nivel
Aprendí mucho de este libro tanto sobre la historia y sobre cómo la energía ha influido en nuestro desarrollo como sociedad. Es muy seco en algunas partes, por lo que es posible que tenga que avanzar, pero saldrá por el otro lado con una nueva lente de pensamiento sobre la energía y la civilización.
Notas de resumen
1: Energía y Sociedad
La energía es la única moneda universal: una de sus muchas formas debe transformarse para hacer algo.
Desde una perspectiva biofísica fundamental, tanto la evolución humana prehistórica como el curso de la historia pueden verse como la búsqueda de controlar mayores depósitos y flujos de formas de energía más concentradas y versátiles y convertirlas, en formas más asequibles a menores costos y con mayores costos. eficiencias, en calor, luz y movimiento.
“En igualdad de condiciones, el grado de desarrollo cultural varía directamente según la cantidad de energía per cápita por año aprovechada y puesta a trabajar”
Solo una pequeña parte de la energía radiante entrante, menos del 0.05%, se transforma mediante la fotosíntesis en nuevas reservas de energía química en las plantas, proporcionando la base insustituible para toda vida superior.
Cada forma de energía se puede convertir en calor o energía térmica. Nunca se pierde energía en ninguna de estas conversiones. La conservación de la energía, la primera ley de la termodinámica, es una de las realidades universales más fundamentales. Pero a medida que avanzamos a lo largo de las cadenas de conversión, el potencial de trabajo útil disminuye constantemente (recuadro 1.2). Esta realidad inexorable define la segunda ley de la termodinámica, y la entropía es la medida asociada a esta pérdida de energía útil. Si bien el contenido energético del universo es constante, las conversiones de energías aumentan su entropía (disminuyen su utilidad).
Esta disipación entrópica unidireccional conduce a una pérdida de complejidad y a un mayor desorden y homogeneidad en cualquier sistema cerrado. Pero todos los organismos vivos, ya sean las bacterias más pequeñas o una civilización global, desafían temporalmente esta tendencia al importar y metabolizar energía. Esto significa que todo organismo vivo debe ser un sistema abierto, manteniendo un flujo continuo de entrada y salida de energía y materia.
Una caloría es la cantidad de calor necesaria para elevar 1 ° C la temperatura de 1 cm3 de agua.
La unidad estándar de potencia actual, un vatio, es igual al flujo de un julio por segundo.
Un caballo de fuerza equivale a unos 750 vatios.
incluso donde los alimentos abundantes y de baja densidad energética nunca podrían convertirse en alimentos básicos.
La densidad de potencia es la tasa a la que se producen o consumen energías por unidad de área y, por lo tanto, es un determinante estructural crítico de los sistemas de energía.
La densidad de potencia del crecimiento anual sostenible de árboles en climas templados es, en el mejor de los casos, igual al 2% de la densidad de potencia del consumo de energía para la calefacción, la cocina y las manufacturas urbanas tradicionales. En consecuencia, las ciudades tuvieron que aprovechar las áreas cercanas al menos 30 veces su tamaño para el suministro de combustible.
Otra tasa, que ha adquirido gran importancia con el avance de la industrialización, es la eficiencia de las conversiones de energía. Esta relación de salida / entrada describe el rendimiento de los convertidores de energía, ya sean estufas, motores o luces. Si bien no podemos hacer nada con respecto a la disipación entrópica, podemos mejorar la eficiencia de las conversiones al reducir la cantidad de energía requerida para realizar tareas específicas.
Las velas convierten sólo el 0,01% de la energía química del sebo o la cera en luz. Las bombillas de Edison de la década de 1880 eran aproximadamente diez veces más eficientes.
las luces fluorescentes tienen eficiencias de hasta el 15%, al igual que los diodos emisores de luz (USDOE 2013). Esto significa que aproximadamente el 9% de la energía del gas natural termina en forma de luz, una ganancia de 90 veces desde finales de la década de 1880.
Cuando se calculan las eficiencias para la producción de alimentos (energía en los alimentos / energía en los insumos para cultivarlos), combustibles o electricidad, generalmente se denominan rendimientos energéticos.
La abundancia de carbón de alta densidad energética ideal para alimentar máquinas de vapor (el adjetivo de uso frecuente “sin humo” debe verse en términos relativos) fue claramente un factor importante que contribuyó al dominio británico del transporte marítimo del siglo XIX, ya que ni Francia ni Alemania tenía grandes recursos de carbón de calidad comparable.
2: Energía en la Prehistoria
La caminata humana cuesta aproximadamente un 75% menos de energía que la caminata cuadrúpeda y bípeda en los chimpancés.
La necesidad de energía específica del cerebro es aproximadamente 16 veces mayor que la de los músculos esqueléticos, y el cerebro humano reclama entre el 20 y el 25% de la energía metabólica en reposo, en comparación con el 8-10% de otros primates y solo el 3-5% de otros mamíferos
Fish y Lockwood (2003), Leonard, Snodgrass y Robertson (2007) y Hublin y Richards (2009) confirmaron que la calidad de la dieta y la masa cerebral tienen una correlación significativamente positiva en los primates, y mejores dietas de homínidos, incluida la carne, apoyaron cerebros más grandes, cuya alta necesidad de energía fue compensada en parte por un tracto gastrointestinal reducido
Si bien los primates no humanos existentes tienen más del 45% de su masa intestinal en el colon y solo del 14 al 29% en el intestino delgado, en los humanos esa proporción se invierte, con más del 56% en el intestino delgado y solo del 17 al 25% en el colon, una clara indicación de adaptación a alimentos de alta calidad y densos en energía (carne, frutos secos) que se pueden digerir en el intestino delgado.
El aumento del consumo de carne también ayuda a explicar las ganancias humanas en masa corporal y altura, así como mandíbulas y dientes más pequeños.
Mientras que las ecuaciones alométricas predicen alrededor de cinco mamíferos de 50 kg / km2, las densidades de chimpancés están entre 1,3 y 2,4 animales / km2, y las densidades de cazadores-recolectores que sobrevivieron hasta el siglo XX estaban muy por debajo de una persona / km2 en climas cálidos, solo 0,24 en el Viejo Mundo y 0.4 en el Nuevo Mundo
La recolección de moluscos, la pesca y la caza cerca de la costa de mamíferos marinos mantuvieron las mayores densidades de alimentación y dieron lugar a asentamientos semipermanentes, incluso permanentes. Los pueblos costeros del noroeste del Pacífico, con sus grandes casas y la caza comunal organizada de mamíferos marinos, fueron excepcionales en su sedentarismo.
Generalmente se digiere menos del 30% de la fitomasa ingerida; la mayor parte es respirada, y en los mamíferos y las aves sólo el 1-2% se convierte en zoomasa. Como resultado, los herbívoros más comúnmente cazados incorporaron menos del 1% de la energía inicialmente almacenada en la fitomasa de los ecosistemas que habitaban. Esta realidad explica por qué los cazadores preferían matar animales que combinaban una masa corporal adulta relativamente grande con una alta productividad y una alta densidad territorial: los cerdos salvajes (90 kg) y los ciervos y antílopes (en su mayoría de 25 a 500 kg) eran objetivos comunes.
A la luz de la poca dotación física de los primeros humanos y la ausencia de armas efectivas, es muy probable que nuestros antepasados fueran inicialmente mucho mejores carroñeros que cazadores.
Los grandes depredadores (leones, leopardos, gatos con dientes de sable) a menudo dejan cadáveres de herbívoros parcialmente devorados. Esta carne, o al menos la nutritiva médula ósea, podía ser alcanzada por los primeros humanos alerta antes de que fuera devorada por buitres, hienas y otros carroñeros.
El bipedalismo humano y la capacidad de sudar mejor que cualquier otro mamífero también hicieron posible perseguir hasta el agotamiento incluso a los herbívoros más rápidos.
Los caballos pierden agua a razón de 100 g / m2 de piel por hora y los camellos pierden hasta 250 g / m2, pero las personas pierden más de 500 g / m2, con tasas máximas de más de 2 kg / hora
Las personas también pueden beber menos de lo que transpiran y compensar cualquier deshidratación parcial temporal horas después. Correr convirtió a los humanos en depredadores diurnos y de alta temperatura que podrían perseguir a los animales hasta el agotamiento
Los cazadores que corrían descalzos redujeron sus costos de energía en aproximadamente un 4% (y tenían menos lesiones agudas en el tobillo y en la parte inferior de las piernas) que los corredores modernos con calzado deportivo.
Los cazadores del Pleistoceno tardío pueden haberse vuelto tan hábiles que muchos estudiosos de la era Cuaternaria llegaron a la conclusión de que la caza fue en gran parte (incluso completamente) responsable de una desaparición relativamente rápida de la megafauna del Paleolítico tardío, animales con una masa corporal superior a 50 kg.
Toda la carne silvestre es una excelente fuente de proteínas, pero la mayor parte contiene muy poca grasa y, por lo tanto, tiene una densidad energética muy baja, menos de la mitad de la de los cereales de los mamíferos pequeños y delgados. No es sorprendente que existiera una preferencia de caza generalizada por especies grandes y relativamente grasas.
Gracias a su alto contenido de grasa (alrededor del 15%), el salmón tiene una densidad energética (9,1 MJ / kg) casi tres veces mayor que la del bacalao.
La alta densidad energética de la grasa (alrededor de 36 MJ / kg) y muktuk (piel y grasa, que también tiene un contenido de vitamina C comparable al de la toronja) resultó en una ganancia de energía de más de 2000 veces en la caza.
Un suministro de alimentos dependiente de unos pocos flujos de energía estacionales requería un almacenamiento extenso y a menudo elaborado. Las prácticas de almacenamiento incluyeron el almacenamiento en caché en permafrost; secado y ahumado de mariscos, frutos del bosque y carnes; almacenamiento de semillas y raíces; conservación en aceite; y la elaboración de salchichas, tortas de harina de nueces y harinas. El almacenamiento de alimentos a gran escala y a largo plazo cambió las actitudes de los recolectores hacia el tiempo, el trabajo y la naturaleza y ayudó a estabilizar las poblaciones en densidades más altas.
contrariamente a todas las afirmaciones populares sobre los beneficios de las dietas paleolíticas, todavía no podemos reconstruir la composición representativa de la subsistencia pre-agrícola.
3: Agricultura tradicional
Las herramientas y las máquinas simples facilitaron las operaciones de campo (proporcionando así una ventaja mecánica) y aceleraron la productividad, aumentaron la productividad y permitieron que menos personas cultivaran más alimentos, y el excedente de energía resultante podría invertirse en estructuras y acciones: sin la hoz y el arado habría ni catedrales, ni viajes europeos de descubrimiento.
Aunque las sembradoras se utilizaron en Mesopotamia ya en 1300 a. C., y los chinos han utilizaban arados de siembra, la siembra al voleo a mano, un desperdicio y una germinación desigual, siguió siendo común en Europa hasta el siglo XIX.
Las mutaciones genéticas aumentaron la digestión del almidón en los perros en relación con la dieta carnívora de los lobos, un paso crucial en la domesticación de la especie.
Todos los alimentos de origen animal y todos los hongos proporcionan proteínas perfectas (con proporciones adecuadas de los nueve aminoácidos esenciales), pero los cuatro granos básicos principales (trigo, arroz, maíz, mijo) y otros cereales importantes (cebada, avena, centeno) son deficientes en lisina, mientras que los tubérculos y la mayoría de las legumbres carecen de metionina y cisteína.
Ninguna búsqueda de mayores rendimientos podría tener éxito sin tres avances esenciales.
- El primero fue una sustitución parcial del trabajo humano por el trabajo animal.
- En segundo lugar, el riego y la fertilización moderaron, si no eliminaron por completo, las dos limitaciones clave en la productividad de los cultivos, la escasez de agua y nutrientes.
- En tercer lugar, el cultivo de una mayor variedad de cultivos, ya sea mediante cultivos múltiples o en rotaciones, hizo que el cultivo tradicional fuera más resistente y más productivo.
A diferencia del ganado, cuya masa corporal se divide casi por igual entre la parte delantera y la trasera, la parte delantera de los caballos es notablemente más pesada que la trasera (proporción de aproximadamente 3: 2), por lo que el animal que tira puede aprovechar mejor el movimiento inercial que el ganado.
La anatomía de la pata de un caballo le da al animal una ventaja única al eliminar virtualmente los costos de energía de estar de pie. El caballo tiene un ligamento suspensorio muy poderoso que corre por la parte posterior del hueso del cañón y un par de tendones (flexores digitales superficiales y profundos) que pueden “bloquear” la extremidad sin comprometer los músculos.
La demanda de agua de los cultivos depende de muchas variables ambientales, agronómicas y genéticas, pero la necesidad estacional total suele ser unas 1.000 veces la masa del grano cosechado. Se necesitan hasta 1.500 t de agua para cultivar 1 t de trigo y se deben suministrar al menos 900 t por cada tonelada de arroz. Aproximadamente 600 t serán suficientes para una tonelada de maíz, un cultivo C4 más eficiente en el uso de agua y el grano básico con la mayor eficiencia en el uso del agua.
El fertilizante orgánico con mayor contenido de nitrógeno (alrededor del 15% para los mejores depósitos) es el guano, excrementos de aves marinas conservados en el clima seco de las islas de la costa peruana.
Dejando a un lado las diferencias culturales, casi todos los campesinos tradicionales se comportaron como jugadores. Intentaron permanecer en los estrechos márgenes del excedente de alimentos durante demasiado tiempo, apostando a que el clima ayudaría a producir otra cosecha justa el próximo año. Pero dados los bajos rendimientos de granos básicos y las proporciones relativamente altas de semilla / cosecha, se perdieron repetidamente, y a menudo de manera catastrófica.
El costo energético del embarazo y la crianza de otro hijo es insignificante en comparación con su contribución laboral, que puede comenzar a una edad muy temprana.
4: Principales motores y combustibles preindustriales
Dos caminos principales condujeron a mayores rendimientos y mejores eficiencias. El primero fue la multiplicación de pequeñas fuerzas, principalmente una cuestión de organización superior, especialmente con la aplicación de energías animadas. El segundo fue la innovación técnica, que introdujo nuevas conversiones de energía o aumentó la eficiencia de los procesos establecidos.
Por ejemplo, las estructuras monumentales construidas por prácticamente todas las altas culturas exigían tanto mano de obra masiva como aplicaciones extensivas de dispositivos que facilitan la mano de obra, comenzando con palancas simples y planos inclinados y, finalmente, incluyendo poleas, grúas, molinetes y ruedas de rodadura.
Motores primarios
Pero durante milenios, la única imitación pálida fue unir materiales incendiarios a las puntas de las flechas o arrojarlos en contenedores desde catapultas. En estas mezclas incendiarias se utilizaron azufre, petróleo, asfalto y cal viva. Solo la invención de la pólvora combinó la fuerza propulsora con un gran poder explosivo e inflamatorio.
Poder animado
Solo había dos formas prácticas en las que se podía aumentar la entrega de poder animado útil: concentrando las entradas individuales o utilizando dispositivos mecánicos para redirigir y amplificar los esfuerzos musculares.
Las tres ayudas más sencillas que proporcionan ventajas mecánicas (palancas, planos inclinados y poleas) fueron utilizadas prácticamente por todas las antiguas culturas superiores.
Naturalmente, se puede lograr la misma cantidad de trabajo aplicando una fuerza mayor en una distancia más corta o una fuerza menor en una distancia más larga: cualquier dispositivo que convierta una fuerza de entrada pequeña en una fuerza de salida más grande proporciona una ventaja mecánica cuya magnitud se mide simplemente como una relación adimensional de las dos fuerzas.
Un trabajador que levanta materiales de construcción con la polea de potencial de Arquímedes (D) podría levantar (ignorando la fricción) una piedra de 200 kg con una fuerza de solo 25 kg, pero un levantamiento de 10 m requerirá tirar de 80 m del cable de contrapeso. Se puede utilizar un trinquete y un trinquete para interrumpir este esfuerzo en cualquier momento.
El poder del agua
Pero mis estimaciones muestran que incluso con supuestos muy liberales con respecto a la unidad de potencia y la adopción de ruedas hidráulicas en todo el Imperio Romano, la energía hidráulica contribuyó solo a una fracción del 1% de la energía mecánica útil suministrada por las personas y los animales de tiro.
Los músculos humanos y animales nunca podrían convertir energía a tasas tan altas, concentradas, continuas y confiables, pero solo tales entregas podrían aumentar la escala, la velocidad y la calidad de innumerables tareas industriales y de procesamiento de alimentos. Sin embargo, tomó mucho tiempo para que las típicas ruedas hidráulicas alcanzaran capacidades que superaran el poder de los grandes equipos de animales enjaezados.
Incluso suponiendo que la harina proporcione la mitad de la ingesta energética diaria de alimentos de una persona, un pequeño molino de agua, con menos de 10 trabajadores, trituraría lo suficiente en un día (10 horas de molienda) para alimentar a unas 3500 personas, una cantidad razonable. ciudad medieval, mientras que el fresado manual habría requerido al menos 250 trabajadores.
Las ruedas hidráulicas fueron los convertidores de energía tradicionales más eficientes. Sus eficiencias eran superiores incluso en comparación con las mejores máquinas de vapor, cuya operación convertía menos del 2% del carbón en energía útil en 1780, y generalmente no más del 15% incluso a fines del siglo XIX (Smil 2005).
Para 1880, la minería de carbón a gran escala y los motores más eficientes habían hecho que el vapor fuera más barato que la energía hidráulica prácticamente en cualquier lugar de los Estados Unidos. Antes de finales del siglo XIX, la mayoría de las turbinas hidráulicas habían dejado de suministrar energía directa y habían comenzado a encender generadores de electricidad.
Energía eólica
Como en el caso de las ruedas hidráulicas, la contribución de los molinos de viento como proveedores de energía estacionaria alcanzó su punto máximo durante el siglo XIX. En el Reino Unido, su total llegó a 10.000 en 1800; a finales del siglo XIX, 12.000 trabajaban en los Países Bajos mientras que 18.000 trabajaban en Alemania; y en 1900 se instalaron alrededor de 30.000 molinos (con una capacidad total de 100 MW) en países alrededor del Mar del Norte
En los Estados Unidos, se erigieron varios millones de unidades entre 1860 y 1900 durante la expansión del país hacia el oeste, y su número comenzó a disminuir solo a principios de la década de 1920.
Combustibles de biomasa
La abundancia o escasez de combustible afectó el diseño de las casas, así como las prácticas de preparación y cocción. El suministro de estas energías fue una de las principales razones de la deforestación tradicional.
Madera y Carbón
Las maderas duras maduras recién cortadas (árboles frondosos) contienen típicamente un 30% de agua, mientras que las maderas blandas (coníferas) tienen más del 40%. Dicha madera se quema de manera ineficaz ya que una parte significativa del calor liberado se destina a vaporizar la humedad liberada en lugar de calentar una olla o una habitación. Cuando la madera tiene más del 67% de humedad, no se enciende.
La madera cortada se apilaba, se protegía y se dejaba secar durante al menos unos meses, pero incluso en climas secos todavía retenía aproximadamente un 15% de humedad. Por el contrario, el carbón vegetal contiene solo un rastro de humedad y fue un combustible de biomasa siempre preferido por aquellos que podían pagar su precio.
Residuos de cultivos y estiércol
La baja densidad de residuos de cultivos también significó que los fuegos abiertos y estufas simples tenían que ser avivadas casi constantemente. Debido a una serie de usos competitivos no energéticos, los residuos de cultivos a menudo escaseaban. Los residuos de leguminosas fueron un excelente alimento y fertilizante rico en proteínas. La paja de cereales es un buen alimento para rumiantes y como cama para animales; muchas sociedades (incluidas Inglaterra y Japón) lo usaban para techar los techos de las casas, y también era una materia prima para la fabricación de herramientas simples y artículos domésticos.
Una realidad poco apreciada es la contribución esencial del estiércol a la expansión hacia el oeste de Estados Unidos.
Preparación de comida
A la luz del predominio de los cereales en la nutrición de todas las culturas superiores, la molienda de cereales fue sin duda la necesidad de elaboración de alimentos más importante de la historia.
La molienda produce harinas de diversa finura que podrían utilizarse para la preparación de alimentos de alta digestibilidad, sobre todo panes y fideos.
Un molino impulsado por burro (entrada de energía a razón de 300 W) producía desde menos de 10 kg / ha 25 kg / h (Forbes 1965), mientras que las piedras de molino impulsadas por una pequeña rueda hidráulica (1,5 kW) molerían harina a velocidades entre 80 y 100 kg / h.
La harina se habría utilizado para hornear pan, proporcionando al menos la mitad de toda la energía alimentaria en la ingesta dietética promedio (pero la participación del pan era a menudo superior al 70%).
En consecuencia, un solo molino habría producido suficiente harina en un turno de 10 horas para alimentar a 2.500–3.000 personas, una ciudad medieval de tamaño considerable.
Calor y luz
En calefacción, la transición tan necesaria de los fuegos abiertos derrochadores y no regulados a arreglos más eficientes fue muy lenta. El simple hecho de mover un fuego abierto a una chimenea de tres lados trajo solo una ganancia marginal de eficiencia. Las chimeneas bien alimentadas podían mantener un fuego desatendido durante la noche, pero su eficiencia de calefacción era pobre. Las mejores tasas se acercaron al 10%, pero los rendimientos más típicos estuvieron alrededor del 5%. Y a menudo una chimenea que funcionaba, calentando sus inmediaciones con calor irradiado pero extrayendo el aire caliente del interior hacia afuera, en realidad estaba causando una pérdida general de calor en la habitación. Cuando se impedía esta corriente de aire, la combustión podía producir niveles peligrosos, incluso letales, de monóxido de carbono.
Transporte y construcción
Moviéndose en tierra
Arellano y Kram (2014) demostraron que el soporte del peso corporal y la propulsión hacia adelante representan alrededor del 80% del costo total de carrera; el balanceo de piernas reclama alrededor del 7% y el mantenimiento del equilibrio lateral alrededor del 2%, pero el balanceo de brazos reduce el costo total en alrededor del 3%.
Los jinetes experimentados en un animal en forma no tenían dificultad para montar de 50 a 60 km / día, y cambiando de caballo podían cubrir más de 100 km / día en situaciones de emergencia.
Para tirar de una piedra de 140 t, el bloque más pesado en Ollantaytambo en el sur de Perú, se requirió la fuerza coordinada de unos 2.400 hombres
¿Cómo se aprovecharon más de 2.000 hombres para que se pusieran en marcha en concierto? ¿Cómo se dispusieron para encajar en los confines de estrechas rampas incas (6 a 8 m)? ¿Y cómo manejó la gente de la antigua Bretaña el Gran Menhir Brise (Niel 1961), con 340 t, la piedra más grande erigida por una sociedad megalítica europea?
Curiosamente, también fue solo durante ese tiempo que los mecánicos europeos y estadounidenses idearon una versión práctica del vehículo de locomotora de propulsión humana más eficiente, la bicicleta moderna. Durante generaciones, las bicicletas fueron dispositivos torpes, incluso peligrosos, que no tenían posibilidad de adopción masiva como vehículos de transporte personal conveniente. Las rápidas mejoras se produjeron solo durante la década de 1880.
Hasta principios de la década de 1980 no había automóviles privados en China, y hasta fines de la década de 1990 la mayoría de los viajeros viajaban en bicicleta incluso en las grandes ciudades del país.
Barcos de vela y barcos de vela
Las capacidades máximas para navegar cerca del viento han avanzado más de 100 ° desde el comienzo de la navegación. Los primeros barcos egipcios de velas cuadradas solo podían manejar un ángulo de 150 °, mientras que los aparejos cuadrados medievales podían avanzar lentamente con el viento en su viga (90 °), y sus sucesores posteriores al Renacimiento podían moverse en un ángulo de aproximadamente 80 ° en el viento. Solo el uso de velas asimétricas montadas más en línea con el eje largo del barco y capaces de girar alrededor de sus mástiles hizo posible navegar más cerca del viento.
Los barcos que combinan velas cuadradas con mizzens triangulares pueden manejar 60 °, y los aparejos de proa y popa (incluidas velas triangulares, de orejas, sprit y canguro) podrían acercarse hasta 45 ° al viento. Los yates modernos se acercan mucho a los 30 °, el máximo aerodinámico.
Los barcos romanos empujados por los vientos del noroeste podrían hacer que el Messina-Alejandría corra en solo 6 a 8 días, pero el regreso podría demorar entre 40 y 70 días.
En 1492, el Santa María de Colón tenía una capacidad de 165 t, y el Trinidad, el barco de Magallanes, tenía apenas 85 t. Un siglo después, los buques de la Gran Armada Española (navegando en 1599) promediaban 515 t.
En 1800, los barcos británicos de la flota india tenían una capacidad de aproximadamente 1.200 t.
Edificios y Estructuras
La enorme variedad de estilos de construcción y ornamentos se puede reducir a solo cuatro elementos estructurales fundamentales: muros, columnas, vigas y arcos.
En contraste con nuestras conjeturas sobre la construcción de las pirámides más grandes, hay poco misterio sobre la forma en que se construyeron estructuras clásicas como el Partenón o el Panteón.
Metalurgia
Metales no ferrosos
Los primeros usos del latón datan del siglo I a. C. La aleación se volvió ampliamente utilizada en Europa solo durante el siglo XI y se volvió común solo después de 1500.
Hierro y acero
Se produjeron pequeños objetos de hierro en Mesopotamia durante la primera mitad del tercer milenio a. C., pero los ornamentos y las armas ceremoniales se hicieron más comunes solo después de 1900 a. C. El uso extensivo del hierro se remonta a después del 1400 a. C., y el metal se volvió verdaderamente abundante después del 1000 a.
La fabricación de hierro africana también es antigua, pero ninguna sociedad del Nuevo Mundo nunca fundió el metal.
El hierro se funde a 1535 ° C; un fuego de carbón sin ayuda puede alcanzar los 900 ° C, pero un suministro de aire forzado puede elevar su temperatura cerca de 2000
En 1720, 60 hornos británicos produjeron alrededor de 17.000 t de arrabio, requiriendo, con 40 kg de madera por kilogramo de metal, alrededor de 680.000 t de madera. Forjar el metal para producir 12.000 t de barras añadidas, con 2,5 kg de carbón vegetal por kilogramo de barras, otras 150.000 t, para un consumo total anual de unas 830.000 t de leña carbonífera. Con una productividad promedio de 7.5 t / ha, esto habría requerido alrededor de 1.100 km2 de bosques y un crecimiento rebrote para cosechas sostenibles.
Incluso suponiendo un incremento medio alto de 7 t / ha en bosques de crecimiento secundario, un suministro sostenible de esa madera habría requerido cosechas anuales de casi 180.000 km2 de bosque, un área igual a Missouri (o un tercio de Francia), representado por una plaza cuyo lado iría de Filadelfia a Boston o de París a Frankfurt. Obviamente, incluso una América rica en bosques no podía permitirse el lujo de energizar su fundición de mineral de hierro con carbón vegetal.
La creciente disponibilidad de hierro y acero condujo gradualmente a una serie de profundos cambios sociales. Sierras de hierro, hachas, martillos y clavos aceleraron la construcción de casas y mejoraron su calidad. Los utensilios de cocina de hierro y una variedad de otros utensilios y objetos, que van desde aros hasta rastrillos, desde parrillas hasta ralladores, facilitaron la cocina y el funcionamiento de la casa. Las herraduras de hierro y las rejas de arado fueron fundamentales para avanzar en la intensificación de los cultivos. En el lado destructivo, la guerra fue revolucionada primero por trajes de malla flexible, cascos y espadas pesadas, luego por pistolas, balas de cañón de hierro y armas de fuego más confiables. Estas tendencias se aceleraron enormemente con la introducción de la fundición de hierro a base de coque y la aparición de la máquina de vapor.
Guerra
La reacción explosiva de los productos químicos podría impulsar los proyectiles más rápido y más lejos y aumentar su impacto destructivo. Durante siglos, este impacto estuvo limitado por los torpes diseños de las armas personales (rifles de carga frontal y de ruptura), pero la pólvora ganó cada vez más importancia como propulsor de las balas de cañón.
Todas las guerras terrestres prehistóricas y todos los conflictos de la antigüedad y principios de la Edad Media fueron impulsados únicamente por músculos humanos y animales. Los guerreros empuñaban dagas, hachas y espadas en combate cuerpo a cuerpo, a pie o a caballo. Usaron lanzas y arcos, y dibujaron arcos y ballestas mucho más poderosas (tanto los chinos como los griegos las usaron desde el siglo IV a. C.) para disparar flechas cuyo impacto heriría y mataría a enemigos desprotegidos a una distancia de 100 a 200 m.
Energías animadas
Estas simples piezas de metal que proporcionan puntos de apoyo para un jinete se utilizaron por primera vez en China a principios del siglo III d. C. y luego se difundieron hacia el oeste; dieron a los ciclistas un apoyo y una estabilidad sin precedentes en el sillín (Dien 2000). Sin ellos, un luchador vestido con armadura ni siquiera podría montar un caballo más grande (y a veces también parcialmente blindado), y no habría podido luchar eficazmente con una lanza o una espada pesada mientras estaba de espaldas.
5: Combustibles fósiles, electricidad primaria y energías renovables
La transición a los combustibles fósiles también ha implicado dos clases de mejoras cualitativas fundamentales, y solo su acumulación y combinación han producido los cimientos energéticos del mundo moderno.
La primera categoría de estos avances fue la invención, el desarrollo y, finalmente, la difusión a gran escala de nuevas formas de convertir los combustibles fósiles : mediante la introducción de nuevos motores principales, comenzando con máquinas de vapor y progresando a motores de combustión interna, turbinas de vapor y turbinas de gas. y al idear nuevos procesos para transformar combustibles crudos, incluida la producción de coque metalúrgico a partir del carbón, el refinado de crudos para producir una amplia gama de materiales líquidos y no combustibles, y el uso de carbones e hidrocarburos como materia prima en nuevas síntesis químicas..
La segunda clase de inventos utilizó combustibles fósiles para producir electricidad, un tipo de energía comercial completamente nuevo. Cualquier combustible sólido, líquido o gaseoso se puede quemar, el calor liberado se puede utilizar para convertir el agua en vapor y el vapor se utiliza para hacer girar los turbogeneradores y producir electricidad.
La tendencia a largo plazo es clara: hemos estado convirtiendo una proporción cada vez mayor de combustibles fósiles en electricidad térmica y también hemos estado ampliando las capacidades para la generación de electricidad primaria porque la electricidad es la más conveniente, más versátil y, en el punto de su uso, la forma más limpia de energía moderna.
La gran transición
La máquina de vapor se convirtió en el motor principal inanimado del siglo XIX. Los motores de combustión interna y las turbinas de vapor comenzaron a hacer incursiones comerciales durante la década de 1890. Antes de 1950, los motores de gasolina y diésel se convirtieron en los principales motores del transporte y las turbinas de vapor en la generación de electricidad a gran escala (Smil 2005); el uso generalizado de turbinas de gas (estacionarias para la generación de electricidad o para propulsar aviones y barcos) se produjo solo después de 1960
Los inicios y la difusión de la extracción de carbón
Cada transición a una nueva forma de suministro de energía debe ser impulsada por el despliegue intensivo de las energías existentes y los motores principales : la transición de la madera al carbón tuvo que ser impulsada por músculos humanos, la combustión del carbón impulsó el desarrollo del petróleo y, como dije, En el último capítulo, las células solares fotovoltaicas y las turbinas eólicas de hoy en día son encarnaciones de las energías fósiles necesarias para fundir los metales necesarios, sintetizar los plásticos necesarios y procesar otros materiales que requieren altos aportes de energía.
La última economía líder en lograr la transición de la fitomasa al carbón fue China, donde el proceso se retrasó por las interminables crisis del siglo XX: comenzaron con el colapso del gobierno imperial en 1911, continuaron con la prolongada guerra civil entre los comunistas y Kuomintang (1927-1936, 1945-1950) y la guerra con Japón (1933-1945), y luego vinieron décadas de mala gestión económica maoísta, incluida la Gran Hambruna (1958-1961) más grande del mundo, creada por Mao (1958-1961) y la llamada Revolución Cultural (1966-1976). Como resultado, no fue hasta 1965 que los combustibles de biomasa comenzaron a suministrar menos de la mitad de la energía primaria de China; en 1983 su participación había caído por debajo del 25% y en 2006 por debajo del 10%
Del carbón a la coca
Máquinas de vapor
Al mismo tiempo, la comercialización y la adopción generalizada de las máquinas de vapor avanzó lentamente, demorando más de un siglo, e incluso durante los años de su rápida difusión, después de 1820, tuvieron que competir (como ya se señaló en el capítulo 4) con las ruedas hidráulicas y turbinas.
Una profusión de nuevos diseños trajo máquinas más eficientes y más rápidas. Para 1900, los mejores motores de locomotora funcionaban a presiones hasta cinco veces más altas que en la década de 1830 y con eficiencias de más del 12% (Dalby 1920). Velocidades superiores a 100 km / h se hicieron habituales y durante la década de 1930 las locomotoras aerodinámicas se acercaron, e incluso superaron, los 200 km / h.
El progreso técnico acumulado fue notable: las máquinas más grandes diseñadas durante la década de 1890 eran aproximadamente 30 veces más potentes que las de 1800 (3 MW frente a aproximadamente 100 kW), y la eficiencia de las mejores unidades fue diez veces mejor, 25% frente a 2,5 % (figura 5.5). Esta enorme ganancia de rendimiento, que se traduce en grandes ahorros de combustible y menos contaminación del aire, se debió principalmente a un aumento de cien veces en las presiones operativas, de 14 kPa a 1,4 MPa.
Pero las máquinas de vapor se convirtieron en víctimas de su propio éxito: a medida que aumentaban sus eficiencias típicas y sus capacidades más altas alcanzaban niveles sin precedentes (órdenes de magnitud por encima de cualquier motor primario tradicional), comenzaron a encontrar sus limitaciones inherentes a medida que se les exigía más de lo que podían ofrecer. (Smil 2005). Incluso después de más de un siglo de mejoras, las máquinas de vapor más utilizadas seguían siendo muy ineficientes: en 1900, la locomotora de vapor típica desperdiciaba el 92% del carbón alimentado en su caldera. Y siguieron siendo pesados, limitando los usos móviles más allá del agua y los rieles donde era más fácil sostener su masa.
Motores de combustión interna y aceite
En América del Norte, el petróleo se recolectaba de filtraciones naturales en el oeste de Pensilvania a fines del siglo XVIII y se vendía como un “aceite de Séneca” medicinal, y en Francia, las arenas petrolíferas se explotaban desde 1745 en Alsacia, cerca de Merkwiller-Pechelbronn, donde se encontraba la primera refinería pequeña. construido en 1857
Pero solo había un lugar en el mundo preindustrial con una larga historia de recolección de petróleo crudo, la península de Absheron de Bakú en el Mar Caspio en el Azerbaiyán actual.
La primera fábrica comercial de destilación de petróleo del mundo fue construida por los rusos en 1837 en Balakhani, y en 1846 hundieron el primer pozo de petróleo exploratorio del mundo (21 m de profundidad) en Bibi-Heybat y así comenzaron la explotación de uno de los petroleros gigantes del mundo. campos, todavía produciendo hoy.
La búsqueda estadounidense de petróleo fue motivada por encontrar un reemplazo del costoso aceite de ballena extraído a bordo de los barcos de la grasa de los cachalotes y quemado en lámparas (Brantly 1971). Los estadounidenses tenían la flota ballenera más grande del mundo —el total alcanzó su punto máximo en 1846 con más de 700 barcos— y durante la década de 1840 traían alrededor de 160.000 barriles de aceite de esperma a los puertos de Nueva Inglaterra cada año (Starbuck 1878; Francis 1990).
Pero el primer pozo norteamericano fue excavado manualmente en Canadá en 1858, por Charles Tripp y James Miller Williams cerca de Black Creek en el condado de Lambton en el suroeste de Ontario, lo que trajo el primer boom petrolero del mundo y el cambio de nombre de la aldea como Oil Springs.
Anthony Francis Lukas hizo un descubrimiento espectacular del campo Spindletop cerca de Beaumont en el sur de Texas con un pozo que produjo 100,000 barriles / día el 10 de enero de 1901.
La mayoría de estos descubrimientos fueron campos de hidrocarburos que contenían tanto petróleo crudo como gas natural asociado, pero el gas rara vez se utilizó durante las primeras décadas de la industria de los hidrocarburos porque sin compresores ni tuberías de acero no se podía mover a largas distancias y simplemente se ventilaba.
En contraste, la alta densidad energética de los combustibles líquidos refinados a partir de petróleo crudo (gasolina, queroseno y fuelóleos) y su fácil portabilidad los convirtió en la fuente de energía superior para el transporte, y la invención y rápida adopción del motor de combustión interna abrió un enorme mercado nuevo para su uso.
Cuando la extracción de petróleo comenzó a expandirse durante la década de 1860, no había motores comerciales de combustión interna capaces de impulsar vehículos, pero nuevamente dentro de unos 25 años, dos ingenieros alemanes habían construido sus primeros motores automotrices prácticos y crearon una nueva demanda de combustible que aún no se ha visto. su pico global más de 130 años después.
La gasolina tiene una densidad energética de 33 MJ / L (unas 1.600 veces la del gas ciudad que utiliza Otto) y un punto de inflamación muy bajo (-40 ° C), lo que facilita el arranque de los motores.
En noviembre de 1885 utilizaron una versión posterior refrigerada por aire para impulsar la primera motocicleta del mundo, y en marzo de 1886 su diseño más grande (0,462 L, 820 W), 600 rpm, refrigerado por agua se montó en un autocar de ruedas de madera.
Electricidad
El alto costo operativo y la capacidad limitada de la batería hicieron que los motores de CC pequeños fueran motores primarios inferiores en comparación con los motores de vapor.
Innovaciones tecnicas
Pero en 1900 mucha gente de las principales ciudades occidentales vivía en sociedades cuyos parámetros técnicos eran casi completamente diferentes de los que dominaban el mundo en 1800 y que estaban, en sus características fundamentales, mucho más cercanas a nuestras vidas en el año 2000.
en 1800 el mundo consumía alrededor de 20 EJ de energía (un equivalente a menos de 500 Mt de petróleo crudo), de los cuales el 98% era fitomasa, principalmente madera y carbón vegetal; para 1900, el suministro total de energía primaria se había más que duplicado (a aproximadamente 43 EJ, equivalente a poco más de 1 Gt de petróleo crudo), y la mitad provenía de combustibles fósiles, principalmente de carbón.
En 1800, el motor primario inanimado más poderoso, el motor de vapor mejorado de Watt, tenía una capacidad justo por encima de los 100 kW; en 1900, las máquinas de vapor más grandes tenían una potencia de 3 MW, o 30 veces más.
En primer lugar, la expansión mundial de la extracción de carbón y la producción de hidrocarburos aumentó la extracción anual de carbono fósil aproximadamente 20 veces entre 1900 y 2015: de 500 Mt en 1900 a 6,7 Gt un siglo después y a aproximadamente 9,7 Gt en 2015.
En tercer lugar, ha habido un cambio secular claro hacia combustibles de mayor calidad, es decir, del carbón al petróleo crudo y al gas natural, un proceso que ha resultado en una descarbonización relativa (una proporción creciente de H: C) de la extracción global de combustibles fósiles, mientras que Los niveles absolutos de CO2 emitidos a la atmósfera han ido en aumento, excepto por algunas leves disminuciones anuales temporales.
Carbones
La combustión de carbón lanzó la generación de electricidad térmica durante la década de 1880 y en todos los países tradicionales de extracción de carbón, y esa dependencia solo creció a medida que se construyeron grandes centrales eléctricas después de la Segunda Guerra Mundial, cuando la creciente proporción de extracción superficial hizo que el carbón fuera aún más asequible.
La producción de carbón de EE. UU. Fue superada por la producción de China en 1985, y el carbón ha sido, con mucho, el energizante más importante del extraordinario crecimiento económico de China.
Debido a que el combustible genera más CO2 por unidad de energía liberada que cualquier otro combustible fósil, las tasas suelen ser más de 30 kg C / GJ para el carbón, aproximadamente 20 kg C / GJ para los hidrocarburos líquidos y menos de 15 kg C / GJ para gas natural: su futuro en un mundo preocupado por el rápido calentamiento global es incierto.
Hidrocarburos
El primer gran mercado nuevo fue creado por la introducción de automóviles asequibles, comenzando antes de la Primera Guerra Mundial con el Modelo T de Ford, y por el rápido aumento en la propiedad de automóviles después de la Segunda Guerra Mundial; el segundo comenzó con la introducción de los motores a reacción en la aviación comercial durante la década de 1950, una innovación que cambió el vuelo de una experiencia muy costosa y rara a una industria global masiva
Y el avance de producción más reciente es el aumento de la extracción de fuentes no convencionales de petróleo crudo, incluidos los petróleos pesados (en muchos lugares del mundo), el petróleo incrustado en arenas bituminosas (Alberta, Venezuela) y la extracción mediante fracturación hidráulica para producir petróleo de lutitas..
Esta técnica, pionera en Estados Unidos, ha tenido tanto éxito que Estados Unidos se convirtió una vez más en el mayor productor mundial de petróleo crudo y otros líquidos derivados del petróleo.
Todo esto ha traído cuatro resultados notables. Primero, la producción mundial de petróleo creció aproximadamente 200 veces durante el siglo XX ; en 2015 era (más de 4,3 Gt) aproximadamente un 20% más alto que en el año 2000, y desde 1964, cuando su contenido energético superó al de la extracción de carbón, ha sido el combustible más utilizado en el mundo.
Electricidad
La llegada de la fisión nuclear como la otra forma importante de generar vapor para la generación de electricidad térmica fue acelerada por la Segunda Guerra Mundial. La primera demostración del fenómeno, realizada por Lise Meitner y Otto Frisch en diciembre de 1938, fue seguida por la primera reacción en cadena sostenida, en la Universidad de Chicago el 2 de diciembre de 1942. La primera bomba nuclear fue probada en julio de 1945, y dos bombas cayeron con tres días de diferencia en agosto de 1945
El primer gran programa nuclear estadounidense de posguerra fue el desarrollo de reactores nucleares para la propulsión de submarinos : el Nautilus fue lanzado en enero de 1955, y casi inmediatamente Hyman Rickover (1900-1986), líder del programa de submarinos nucleares, fue puesto a cargo de reconfigurar el reactor para la generación comercial de electricidad (Polmar y Allen 1982). La primera central nuclear de Estados Unidos, Shippingport, en Pensilvania, comenzó a funcionar en diciembre de 1957, más de un año después de que se iniciara el Calder Hall británico, en octubre de 1956.
Principales motores de transporte
Los motores de aviones alternativos mejoraron muy rápidamente. Los que impulsaban el Clipper de 1936 de Boeing (un gran hidroavión que volaba en servicio programado entre la costa oeste de EE. UU. Y el este de Asia) eran aproximadamente 130 veces más potentes que la máquina de Wright de 1903, cuya relación peso / potencia era más de diez veces mayor
En 1952, el cometa británico se convirtió en el primer avión de pasajeros, pero los defectos estructurales, más que los problemas del motor, provocaron tres accidentes mortales y su retirada del servicio.
El primer Boeing 747 de cuerpo ancho comenzó a volar en 1969: el icónico jet de cuerpo ancho estaba propulsado por grandes motores turbofan que desarrollaban más de 200 kN de empuje y podían entregar un empuje combinado máximo de aproximadamente 280 MW durante el despegue (Smil 2000c ). En 2015, el motor a reacción más potente, el GE 90-115B, tenía una potencia de 513 kN de empuje.
Los únicos motores principales que pueden entregar más potencia por unidad de peso que las turbinas de gas son los motores de cohete que lanzan misiles y vehículos espaciales.
6: Civilización impulsada por fósiles
La civilización moderna depende de extraer prodigiosas reservas de energía, agotando los depósitos finitos de combustibles fósiles que no se pueden reponer incluso en escalas de tiempo órdenes de magnitud más largas que la existencia de nuestra especie.
La dependencia de la fisión nuclear y el aprovechamiento de energías renovables (agregando electricidad generada por energía eólica y fotovoltaica a la hidrogeneración de más de 130 años y recurriendo a nuevas formas de convertir la fitomasa en combustibles) ha ido en aumento, pero para 2015 los combustibles fósiles aún representó el 86% de la energía primaria del mundo, solo un 4% menos que hace una generación, en 1990
Poder sin precedentes y sus usos
En términos de energía bruta, el suministro global de biocombustibles y combustibles fósiles era aproximadamente el mismo en 1900 (ambos en aproximadamente 22 EJ); en 1950, los combustibles fósiles suministraban casi tres veces más energía que la madera, los residuos de cultivos y el estiércol; y para el año 2000 la diferencia era casi ocho veces mayor. Pero cuando se ajusta a la energía útil realmente entregada, la diferencia en el año 2000 fue casi 20 veces mayor.
En las sociedades de búsqueda de alimentos, la comida era el único energizante; mi estimación sitúa la comida y el forraje en aproximadamente el 45% de toda la energía en el Imperio Romano temprano (Smil 2010c). En la Europa preindustrial, los alimentos y los forrajes oscilaban entre el 20% y el 60%, pero en 1820 la media no superaba el 30%; en 1900 era menos del 10% en el Reino Unido y Alemania. En la década de 1960, la energía de los forrajes había disminuido a un nivel insignificante y los alimentos se habían convertido en no más del 3% e incluso menos del 2% de todo el suministro de energía en las sociedades más ricas, cuyo consumo pasó a ser dominado por los usos industriales, de transporte y domésticos de combustibles. y electricidad (fig. 6.3). Las entregas de electricidad per cápita se han incrementado en dos órdenes de magnitud en las economías de altos ingresos, y en 2010 se situaron en alrededor de 7 MWh / año en Europa Occidental y alrededor de 13 MWh / año en Estados Unidos.
Cuando en 1900 un granjero de las Grandes Llanuras sostenía las riendas de seis caballos grandes mientras araba su campo de trigo, controlaba, con un esfuerzo físico considerable, encaramado en un asiento de acero y a menudo envuelto en polvo, no más de 5 kW de potencia animada. Un siglo después, su bisnieto, sentado muy por encima del suelo en la comodidad del aire acondicionado de la cabina de su tractor, controlaba sin esfuerzo más de 250 kW de potencia del motor diesel.
En 1900, un ingeniero que operaba una locomotora de carbón que tiraba de un tren transcontinental a cerca de 100 km / h comandaba alrededor de 1 MW de potencia de vapor, el rendimiento máximo permitido por la alimentación manual de carbón (Bruce 1952; fig. 6.4). Para el año 2000, los pilotos de un Boeing 747 que recorría la ruta transcontinental a 11 km de altura podían elegir un modo automático para gran parte del viaje, ya que cuatro turbinas de gas se desarrollaron hasta aproximadamente 120 MW y el avión voló a 900 km / h.
Ningún beneficio permitido por este nuevo poder ha sido más fundamental que el aumento sustancial de la producción mundial de alimentos, que ha hecho posible proporcionar una nutrición adecuada a casi el 90% de la población mundial.
Energía en agricultura
Suministrar nitrógeno, el macronutriente que siempre se necesita en las mayores cantidades por unidad de tierra cultivada, fue el mayor desafío. Hasta la década de 1890, la única opción inorgánica era importar nitratos chilenos.
Sin embargo, ninguno de estos métodos pudo suministrar nitrógeno fijo a gran escala, y la perspectiva de alimentar al mundo cambió fundamentalmente solo en 1909 cuando Fritz Haber (1868-1934) inventó un proceso catalítico de alta presión para sintetizar el amoníaco a partir de sus elementos.
Los pollos son los convertidores de alimento más eficientes (alrededor de tres unidades de alimento concentrado por unidad de carne); la relación alimento: carne para la carne de cerdo es de aproximadamente 9, y la producción de carne vacuna alimentada con cereales es la más exigente, ya que requiere hasta 25 unidades de alimento por unidad de carne.
Esta relación inferior también es función de la relación carne: peso vivo: para el pollo es tan alta como 0,65 y para la carne de cerdo es 0,53, pero para los animales de carne grandes es tan baja como 0,38
Pero la pérdida de energía en la conversión a carne (y leche) tiene sus recompensas nutricionales: el creciente consumo de alimentos de origen animal ha traído dietas ricas en proteínas a todas las naciones ricas (evidente en las estaturas más altas) y ha asegurado, en promedio, una nutrición adecuada incluso la mayoría de los países pobres más poblados del mundo. En particular, el contenido de energía de la dieta per cápita promedio de China es ahora de aproximadamente 3.000 kcal / día, aproximadamente un 10% por encima de la media japonesa.
Industrialización
El consumo masivo tampoco fue una verdadera novedad. Tendemos a pensar en el materialismo como una consecuencia de la industrialización, pero en partes de Europa Occidental, especialmente en los Países Bajos y Francia, ya fue una fuerza social importante durante los siglos XV y XVI.
Una vez energizados por carbón y vapor, los fabricantes tradicionales podrían producir mayores volúmenes de productos de buena calidad a precios más bajos. Este logro fue una condición previa necesaria para el consumo masivo.
Se produjo un período de industrialización radicalmente nuevo cuando las máquinas de vapor fueron eclipsadas por la electrificación. La electricidad es una forma superior de energía, y no solo en comparación con la energía de vapor. Solo la electricidad combina un acceso instantáneo y sin esfuerzo con la capacidad de servir de manera muy confiable a todos los sectores consumidores excepto a los vuelos.
La disponibilidad de electricidad confiable y barata ha transformado prácticamente todas las actividades industriales. Con mucho, el efecto más importante en la fabricación fue la adopción generalizada de líneas de montaje.
Su clásica variedad fordiana rígida, ahora obsoleta, se basaba en un transportador móvil introducido en 1913. El tipo japonés moderno y flexible se basa en la entrega de piezas justo a tiempo y en trabajadores capaces de realizar una serie de tareas diferentes. El sistema, introducido en las fábricas de Toyota, combinó elementos de las prácticas estadounidenses con enfoques autóctonos e ideas originales (Fujimoto 1999). El sistema de producción de Toyota (kaizen) se basaba en la mejora continua del producto y la dedicación al mejor control de calidad continuo que se podía lograr. Una vez más, el elemento común fundamental de todas estas acciones es minimizar el desperdicio de energía.
Con mucho, la innovación más importante en la metalurgia no ferrosa fue el desarrollo de la fundición de aluminio. El elemento fue aislado en 1824, pero solo en 1866 se ideó un proceso económico para su producción a gran escala.
Transporte
En cuanto al gasto, justo antes de la Primera Guerra Mundial, el costo de un cruce transatlántico promediaba $75 (Dupont, Keeling y Weiss 2012), o alrededor de $1,900 en dinero de 2015. El viaje de regreso de casi $4,000 en dólares actuales se compara con aproximadamente $1,000 para un vuelo promedio (sin descuento) de Londres a Nueva York.
La velocidad de una milla por minuto (96 km / h) se alcanzó por primera vez brevemente en una carrera inglesa programada en 1847; Ese fue también el año de la mayor actividad de construcción de ferrocarriles en el país, que estableció una densa red de enlaces confiables en solo dos generaciones (O’Brien 1983).
Ciertamente, el impacto más obvio generado por los automóviles ha sido el reordenamiento mundial de las ciudades a través de la proliferación de autopistas y espacios de estacionamiento y la destrucción de vecindarios.
La propiedad de un automóvil ha sido una parte importante de la burguesía, y algunos diseños asequibles que permitieron esta nueva propiedad masiva disfrutaron de una longevidad asombrosa (Siuru 1989). El primero fue el Modelo T de Ford, cuyo precio bajó tan bajo como 265 dólares en 1923 y cuya producción duró 19 años (McCalley 1994). Otros modelos notables fueron el Austin Seven, el Morris Minor, el Citroen 2CV, el Renault 4CV, el Fiat Topolino y, el más popular de todos, el Volkswagen inspirado en Hitler de Ferdinand Porsche.
En términos de producción agregada, tamaño y longevidad (aunque con modelos actualizados), ningún automóvil diseñado para las masas se acerca al que Adolf Hitler decretó como el más adecuado para su pueblo (Nelson 1998; Patton 2004). En otoño de 1933, Hitler estableció las especificaciones del automóvil: velocidad máxima de 100 km / h, 7 L / km, capaz de transportar dos adultos y tres niños, con refrigeración por aire y a un costo inferior a 1000 RM, y Ferdinand Porsche (1875-1951 ) tenía el coche, bastante feo y con aspecto, ante la insistencia de Hitler, como un escarabajo (Käfer), listo para la producción en 1938.
Información y comunicación
El teléfono, patentado por Alexander Graham Bell en 1876, pocas horas antes de la presentación independiente de Elisha Grey (Hounshell 1981), tuvo una aceptación aún más rápida en el servicio local y regional (Mercer 2006). Los enlaces de larga distancia fiables y baratos se introdujeron con bastante lentitud. El primer enlace transamericano no se produjo hasta 1915, y el cable telefónico transatlántico no se instaló hasta 1956. Sin duda, los enlaces radiotelefónicos estaban disponibles desde finales de la década de 1920, pero no eran ni baratos ni fiables. Los grandes monopolios telefónicos proporcionaron un servicio asequible y confiable, pero no fueron grandes innovadores: el clásico teléfono negro de marcación giratoria se introdujo a principios de la década de 1920 y siguió siendo la única opción durante las siguientes cuatro décadas: los primeros teléfonos electrónicos de tonos aparecieron en el Estados Unidos solo en 1963.
Los microchips se han convertido en los artefactos complejos más ubicuos de la civilización moderna: más de 200 mil millones de ellos se producen cada año, y los dispositivos se pueden encontrar en productos que van desde artículos domésticos y electrodomésticos mundanos (termostatos, hornos, hornos y en todos los dispositivos electrónicos) a la fabricación automatizada de conjuntos complejos, incluido el diseño y fabricación de los propios microprocesadores.
Crecimiento económico
Hablar de energía y economía es una tautología: toda actividad económica no es fundamentalmente más que la conversión de un tipo de energía en otro, y el dinero es solo una aproximación conveniente (y a menudo poco representativa) para valorar los flujos de energía.
Entre 1900 y 2000, el uso de toda la energía primaria (después de restar las pérdidas de procesamiento y los usos no combustibles de los combustibles fósiles) aumentó casi ocho veces, de 44 a 382 EJ, y el GWP aumentó más de 18 veces, de aproximadamente $2 billones a casi $37 billones en dineros constantes de 1990 (Smil 2010a; Maddison Project 2013), lo que implica una elasticidad de menos de 0,5.
Se pueden encontrar altas correlaciones de las dos variables para un solo país a lo largo del tiempo, pero las elasticidades difieren: durante el siglo XX, el PIB japonés se multiplicó por 52 y el uso total de energía se multiplicó por 50 (una elasticidad muy cercana a 1.0), mientras que los múltiplos para los Estados Unidos fueron, respectivamente, casi 10 veces y 25 veces (una elasticidad de menos de 0,4), y para China casi 13 veces y 20 veces (una elasticidad de 0,6).
Por ejemplo, Italia y Corea del Sur tienen un PIB per cápita muy similar —ajustado por poder adquisitivo, era de alrededor de $35,000 en 2014— pero el uso de energía per cápita de Corea del Sur es casi un 90% más alto que el de Italia. Por el contrario, Alemania y Japón tienen un consumo de energía anual casi idéntico, alrededor de 170 GJ / cápita, pero en 2014 el PIB de Alemania era casi un 25% más alto.
La intensidad de la energía primaria (y la electricidad) del crecimiento económico mundial ha ido disminuyendo, pero, debido al tamaño de la economía mundial y al continuo crecimiento de la población en Asia y África, las próximas décadas repetirán, aunque de manera modificada, el pasado. Se necesitará experiencia como grandes cantidades de combustibles y grandes adiciones de capacidad de generación de electricidad para impulsar el crecimiento económico en los países en proceso de modernización.
Consecuencias y preocupaciones
En la primera categoría se encuentra un suministro abundante de alimentos que fomenta un desperdicio de alimentos indefendiblemente alto y contribuye a tasas sin precedentes de sobrepeso (un índice de masa corporal entre 25 y 30) y obesidad (índice de masa corporal> 30). Esta tendencia hacia cuerpos más pesados se ve reforzada por la reducción del gasto de energía, por estilos de vida más sedentarios que resultan de la sustitución masiva del esfuerzo muscular por las máquinas y por el uso omnipresente de automóviles incluso para viajes cortos que solían realizarse a pie.
Para 2012, el 69% de la población de EE. UU. Tenía sobrepeso u obesidad, frente al 33% durante la década de 1950 (CDC 2015), una prueba clara de que esas condiciones se han adquirido mediante la combinación de comer en exceso y actividad física reducida.
Urbanización
La Roma del siglo I d.C. albergaba a más de medio millón de personas.
Las ciudades modernas usan combustibles con una eficiencia mucho mayor, pero sus altas concentraciones de viviendas, fábricas y transporte elevan su densidad de energía a 15 W / m2 en lugares extensos de clima cálido y, en ciudades industriales en climas más fríos, hasta 150 W / m2 de su superficie. Sin embargo, tanto los carbones como los crudos que abastecen estas necesidades se extraen con densidades de potencia que suelen oscilar entre 1.000 y 10.000 W / m2.
Esto significa que una ciudad industrial necesita depender de un campo de carbón o petróleo cuyo tamaño no sea más de un séptimo y tan pequeño como una milésima parte de su área construida, y de nuevos y poderosos motores primarios para transportar combustibles desde su básicamente lugares puntiformes de extracción a usuarios urbanos.
Todas las ciudades modernas son creaciones de flujos de energía fósil convertidos con altas densidades de energía, pero las megaciudades hacen afirmaciones excepcionalmente altas: una encuesta de Kennedy y colaboradores (2015) concluyó que en 2011 las 27 megaciudades del mundo (con menos del 7% de la población) consumió el 9% de toda la electricidad y el 10% de toda la gasolina.
Y no cabe duda de la consecuencia de la urbanización para el consumo energético; vivir en ciudades requiere aumentos sustanciales en la provisión de energía per cápita incluso en ausencia de industrias pesadas o grandes puertos: los combustibles fósiles y la electricidad necesarios para mantener a una persona que se mudó a una de las nuevas ciudades en crecimiento de Asia pueden ser fácilmente de un orden de magnitud más alta que las escasas cantidades de combustibles de biomasa que se usaban en el pueblo donde nació para cocinar y (si fuera necesario) para calentar una habitación.
Calidad de vida
La diferencia real en el uso típico directo de energía per cápita entre los sectores más ricos y más pobres de la humanidad está, por lo tanto, más cerca de ser 40 veces mayor que “solo” 20 veces. Esta enorme disparidad es una de las pocas razones principales de la brecha crónica en los logros económicos y en la calidad de vida imperante. A su vez, estas desigualdades son una fuente importante de inestabilidad política mundial persistente.
En las primeras etapas del crecimiento económico, estos beneficios son bastante limitados porque los combustibles y la electricidad se canalizan de manera abrumadora hacia la construcción de una base industrial. La adquisición paulatina de bienes domésticos y personales y mejores dietas básicas han sido los primeros signos de mejora, comenzando en las ciudades y extendiéndose gradualmente al campo.
El bajo costo de los nuevos aparatos y dispositivos eléctricos (aire acondicionado, microondas, televisores) y electrónicos (sobre todo teléfonos móviles) significa que en muchos países asiáticos y africanos, las familias los adquirieron incluso antes de poseer otros mejores artículos para el hogar.
Pero uno de los impactos sociales más importantes de la electricidad ha sido transformar muchas tareas del hogar y, por lo tanto, beneficiar de manera desproporcionada a las mujeres. Este cambio ha sido, incluso en el mundo occidental, bastante reciente.
A medida que los estándares de higiene y expectativas sociales aumentaron con una mejor educación, el trabajo de las mujeres en los países occidentales a menudo se volvió más difícil. No importa si se trataba de lavar, cocinar y limpiar en apartamentos ingleses abarrotados (Spring-Rice 1939) o hacer las tareas diarias en las granjas estadounidenses, el trabajo de las mujeres seguía siendo extremadamente duro durante la década de 1930. La electricidad fue el eventual libertador. Independientemente de la disponibilidad de otras formas de energía, fue solo la introducción de la electricidad lo que eliminó el trabajo agotador y, a menudo, peligroso.
Implicaciones políticas
La cuenca del Golfo Pérsico es una singularidad incomparable: tiene 12 de los 15 campos petrolíferos más grandes del mundo, y en 2015 contenía alrededor del 65% de las reservas mundiales de petróleo líquido (BP 2015). Estas riquezas explican el interés duradero en la estabilidad de la región. Este deseo se complica enormemente por el desorden casi crónico de la zona, que está formada por estados artificiales separados por fronteras arbitrarias que atraviesan un grupo étnico antiguo y contienen complejas enemistades religiosas.
Armas y Guerras
Como base para el primer tipo de comparación, es útil recordar (como se muestra en el capítulo 4) que la energía cinética de las dos armas de mano más comunes de la era preindustrial, las flechas (disparadas con arcos) y las espadas, estaba simplemente en del orden de 101 J (en su mayoría entre 15 y 75 J), y que una flecha lanzada por una ballesta pesada puede alcanzar un objetivo con 100 J de energía cinética. En contraste, las balas disparadas desde la boca de los mosquetes y rifles tendrían energías cinéticas del orden de 103 J (de 10 a 100 veces mayor), mientras que los proyectiles disparados con armas modernas (incluidas las montadas en tanques) tienen una tasa de 106 J.
La bomba de Hiroshima liberó 63 TJ de energía, aproximadamente la mitad como explosión y el 35% como radiación térmica (Malik 1985). Estos dos efectos causaron una gran cantidad de muertes instantáneas, mientras que las radiaciones ionizantes causaron bajas instantáneas y tardías. La bomba explotó a las 8:15 am del 7 de agosto de 1945, a unos 580 m sobre el suelo; la temperatura en el punto de explosión era de varios millones de grados centígrados, en comparación con los 5.000 ° C de los explosivos convencionales. La bola de fuego se expandió a su tamaño máximo de 250 m en un segundo, la velocidad de explosión más alta en el hipocentro fue de 440 m / s, y la presión máxima alcanzada fue de 3,5 kg / cm2 (Comité de Compilación de Materiales 1991). La bomba de Nagasaki liberó alrededor de 92 TJ. Estas armas parecen minúsculas en comparación con la bomba termonuclear más poderosa, probada por la URSS sobre Novaya Zemlya el 30 de octubre de 1961: la bomba zar liberó 209 PJ de energía (Khalturin et al. 2005).
la bomba de Hiroshima equivalía a 15 kt TNT, la bomba zar a 50 Mt TNT.
Otro fenómeno que ha contribuido en gran medida a los costos generales de energía es la necesidad de aumentar la producción en masa de equipo militar en períodos de tiempo muy cortos. Las dos guerras mundiales ofrecen los mejores ejemplos. En agosto de 1914, Gran Bretaña tenía solo 154 aviones militares, pero cuatro años después, las fábricas de aviones del país empleaban a unas 350.000 personas y producían 30.000 aviones al año.
Cuando Estados Unidos declaró la guerra a Alemania en abril de 1917, tenía menos de 300 aviones de segunda categoría, ninguno capaz de llevar ametralladoras o bombas, pero tres meses después, el Congreso estadounidense aprobó una asignación sin precedentes de $640 millones (casi US $12 mil millones en Dinero de 2015) para construir 22,500 motores Liberty para nuevos cazas.
Los 19 secuestradores del 11 de septiembre no tenían más armas que unos pocos cortadores de cajas, y toda la operación, incluidas las lecciones de vuelo, costó menos de $500,000 (bin Laden 2004, 3), mientras que incluso la estimación más estrecha de la carga monetaria (Nueva York El informe de la Contraloría de la Ciudad, emitido un año después del ataque) calculó el costo directo de la ciudad en $95 mil millones, incluidos alrededor de $22 mil millones para reemplazar los edificios y la infraestructura y $17 mil millones en salarios perdidos. Una perspectiva nacional que evalúa el PIB perdido, la caída del valor de las acciones, las pérdidas de las industrias de aerolíneas y turismo, tarifas más altas de seguros y envío, y un mayor gasto en seguridad y defensa, colocan el costo en más de $500 mil millones.
El veredicto es simple: Estados Unidos no necesita petróleo iraquí, el este de Asia ha sido su mayor comprador, entonces, ¿Estados Unidos fue a Irak para asegurar el suministro de petróleo chino? ¡Incluso el caso visto por muchos como una demostración clara de guerra impulsada por la energía es todo lo contrario! La conclusión es clara: objetivos estratégicos más amplios, bien justificados o fuera de lugar, y no una búsqueda de recursos han llevado a Estados Unidos a los conflictos posteriores a la Segunda Guerra Mundial.
Cambios ambientales
La posición de consenso es que, para evitar las peores consecuencias del calentamiento global, el aumento de temperatura promedio debería limitarse a menos de 2 ° C, pero esto requeriría una reducción inmediata y sustancial de la combustión de combustibles fósiles y una rápida transición a fuentes de energía sin carbono. —Un desarrollo no imposible, pero muy poco probable, dado el predominio de los combustibles fósiles en el sistema energético mundial y las enormes necesidades energéticas de las sociedades de bajos ingresos:
7: Energía en la historia mundial
Transiciones y eras energéticas
Y el ascenso de Occidente se debe en gran medida a una poderosa combinación de dos motores primarios inanimados: al aprovechamiento eficaz del viento y a la adopción de la pólvora, encarnada por los barcos de vela equipados con cañones pesados.
La segunda simplificación, el uso de fuentes de energía renovables versus no renovables, captura la dicotomía básica entre los milenios dominados por los motores primarios animados y los combustibles de biomasa y el pasado más reciente, que depende en gran medida de los combustibles fósiles y la electricidad.
Tendencias a largo plazo y caída de costos
Los automóviles y las máquinas agrícolas suelen funcionar menos de 500 horas al año, en comparación con las más de 5.000 horas de los turbogeneradores. En consecuencia, en términos de producción de energía real, la proporción global entre motores de combustión interna y generadores de electricidad es ahora de aproximadamente 2: 1.
Las eficiencias de los motores primarios están limitadas por consideraciones termodinámicas fundamentales. Los avances técnicos han ido reduciendo las diferencias entre los mejores rendimientos y los máximos teóricos. La eficiencia de las máquinas impulsadas por vapor aumentó de una fracción de un por ciento para los motores primitivos de Savery a poco más del 40% para los grandes turbogeneradores de principios del siglo XXI.
Ahora solo son posibles mejoras marginales para los turbogeneradores, ya sean de vapor o de agua, pero las turbinas de gas de ciclo combinado pueden alcanzar eficiencias del 60%. De manera similar, los mejores combustores ahora funcionan cerca de los límites teóricos. Tanto las calderas de las grandes centrales eléctricas como los hornos domésticos de gas natural pueden tener una eficiencia de hasta el 97%.
Por el contrario, el rendimiento diario de los motores de combustión interna, los motores principales con la mayor potencia instalada agregada, sigue siendo muy bajo. Los motores de los automóviles con un mantenimiento deficiente a menudo funcionan a menos de un tercio de su máximo nominal. Las mejoras en la eficiencia de la iluminación han sido aún más impresionantes.
¿Qué no ha cambiado?
El relato clásico de los ciclos económicos en los países occidentales en proceso de industrialización mostró la inconfundible correlación entre las nuevas fuentes de energía y los principales motores, por un lado, y la inversión acelerada, por otro.
El primer repunte bien documentado (1787-1814) coincide con la expansión de la extracción de carbón y con la introducción inicial de las máquinas de vapor estacionarias.
La segunda ola de expansión (1843-1869) fue claramente impulsada por la difusión de las máquinas de vapor móviles (ferrocarriles y barcos de vapor) y por los avances en la metalurgia del hierro.
El tercer repunte (1898-1924) estuvo influenciado por el aumento de la generación de electricidad comercial y por la rápida sustitución de los accionamientos mecánicos por motores eléctricos en la producción industrial.
La fascinante investigación posterior a 1945 aportó una gran cantidad de confirmación sobre la existencia de pulsaciones de aproximadamente 50 años en los asuntos humanos.
Las consecuencias económicas del prodigioso uso de energía en el mundo también se reflejan en la lista de las empresas más grandes del mundo (Forbes 2015). En 2015, cinco de las 20 principales corporaciones multinacionales no financieras eran compañías petroleras (EXXON, PetroChina, Royal Dutch Shell, Chevron y Sinopec) y tres eran fabricantes de automóviles y camiones, Toyota, Volkswagen y Daimler.
Otro ingrediente importante de esta opulencia ha sido el uso de energía para ahorrar tiempo. Estos usos incluyen mucho más que una preferencia generalizada por automóviles privados más intensivos en energía pero más rápidos en comparación con el uso del transporte público. Refrigeración (obviando la compra diaria de alimentos), cocinas eléctricas y de gas, hornos microondas y procesadores de alimentos (simplificando y acelerando la cocción o recalentamiento de los alimentos) y calefacción central (eliminando la necesidad de encender fuego repetidamente y abastecerse de combustible) tienen todos Han sido excelentes técnicas para ahorrar tiempo que ahora se han adoptado universalmente en todo el mundo acomodado. A su vez, el tiempo ganado por estas inversiones energéticas se utiliza cada vez más para viajes de ocio y pasatiempos que a menudo requieren un aporte energético considerable.
En un nivel más mundano, decenas de millones de personas anualmente toman vuelos intercontinentales a playas genéricas para contraer cáncer de piel más rápidamente; la reducida cohorte de aficionados a la música clásica tiene más de 100 grabaciones de Quattro Stagioni de Vivaldi para elegir; hay más de 500 variedades de cereales para el desayuno y más de 700 modelos de turismos. Una diversidad tan excesiva da como resultado una mala asignación considerable de energías, pero parece no tener fin: el acceso electrónico a la selección global de bienes de consumo ya ha multiplicado las opciones disponibles para pedidos por Internet, y la producción personalizada de muchos artículos de consumo (utilizando ajustes individualizados de los diseños informáticos y la fabricación aditiva) lo elevarían a otro nivel de exceso. Lo mismo ocurre con la velocidad: ¿Realmente necesitamos un trozo de basura efímera fabricado en China entregado unas pocas horas después de que se realizó un pedido en una computadora? Y (próximamente) por un dron, ¡nada menos!
Para 2015, el 10% más rico de la humanidad (que vive en 25 naciones) reclamaba alrededor del 35% de la energía mundial.
Por el contrario, el 5% más pobre de la humanidad (que vive en 15 países africanos) no consume más del 0,2% del suministro de energía comercial primaria del mundo.
Imperativos de las necesidades y usos energéticos
La matanza de mamíferos grandes (carnosos y grasos) trajo consigo altos rendimientos netos de energía, mientras que la caza de especies más pequeñas fue casi siempre una actividad mucho menos gratificante que la recolección de plantas.
Los lípidos eran los nutrientes más deseables que normalmente escaseaban. Su alta densidad energética proporcionó la satisfactoria sensación de saciedad. Estos imperativos energéticos dictaron estrategias de recolección y caza y contribuyeron al surgimiento de la complejidad social.
El predominio de los combustibles fósiles y la electricidad ha creado un grado sin precedentes de uniformidad técnica y, por una extensión gradual, también económica y social.
Las dos consecuencias más obviamente preocupantes de la dependencia de altos flujos de energía son la restricción de opciones (es decir, la imposibilidad de abandonar las prácticas existentes sin causar numerosas dislocaciones masivas) y la degradación del medio ambiente.
Explicaciones sobre los límites de la energía
Conservadurismo crónico (¿falta de imaginación?) Con respecto al poder de la innovación técnica, frente a afirmaciones repetidamente exageradas hechas en nombre de nuevas fuentes de energía.
La opinión de los expertos del día descartó la posibilidad de iluminación de gas, barcos de vapor, bombillas incandescentes, teléfonos, motores de gasolina, vuelo propulsado, corriente alterna, radio, propulsión de cohetes, satélites de comunicación de energía nuclear y computación masiva. Este conservadurismo a menudo perseveró incluso después de la introducción exitosa de innovaciones.
El hombre perece. Puede ser, pero luchemos aunque perezcamos; y si la nada ha de ser nuestra porción, no la recibamos como una justa recompensa. (Senancour 1901 [1804], 2: 187)
