La huella del agua

Manuel e Isaac Shifter Guerrero

• Editorial: Fondo de Cultura Económica
• Año: 2013
• ISBN:
  9786071612953
• Categoría: Ciencias biológicas
• Categoría: Ecología

El agua que se formó en la primera edad de la Tierra es la misma que existe hoy en el planeta, no así la cantidad de agua disponible para el consumo humano, que disminuye drásticamente día con día. A pesar de que la escasez de agua es un problema fundamental para la sociedad actual, el valor real de este recurso aún es opacado por la creencia de que es ilimitado. Con el fin de mostrar la verdadera importancia de esta sustancia, los autores se dan a la tarea de seguir el rastro del agua en su paso por los diversos procesos naturales y humanos, descubriendo sus diferentes facetas como agua azul, verde y virtual.

V. El agua y el futuro de la humanidad

¿CUÁNTA AGUA SE NECESITARÁ EN EL FUTURO PARA LA ALIMENTACIÓN?

La producción de biomasa —alimentos y madera— es la actividad que consume la mayor parte del agua dulce del planeta, aproximadamente 80%. La razón es que el proceso de crecimiento de las plantas sucede con un gran “desperdicio” de agua: se consumen 1 000 kg para producir tan sólo un kilo de biomasa, una eficiencia de 0.1%. Las dos fuentes que aportan el agua para la agricultura son la lluvia y la irrigación artificial; ambas son parte del ciclo hidrológico, aunque la primera es la aportación renovable de dicho ciclo y la segunda depende de la intervención del hombre, pues implica obras de almacenamiento. La lluvia aporta 60% de los requerimientos mundiales. Las plantas aprovechan en su crecimiento una parte del agua que reciben y la otra la regresan a la atmósfera, en un proceso que se llama “evapotranspiración”.

Al agua evapotranspirada, así como a la que toma la vegetación y la asimila a sí misma, se les identifica como “agua verde”, y a la que cae y escurre sin ser capturada por las plantas como “agua azul”; es esta última la que recarga los acuíferos. Recordemos que esto ha sido visto con anterioridad en referencia al ciclo hidrológico y la huella del agua.

El agua azul recarga las reservas de los acuíferos y los lagos, y fluye por los ríos. Es esta agua la que el hombre toma para la irrigación. En la gráfica V.1 se muestra cómo la precipitación se divide en agua verde y agua azul.

GRÁFICA V.1. El agua precipitada y su distribución porcentual en el suelo

En números redondos, de 100% del agua precipitada, 35% recarga los acuíferos, ríos y lagos. El resto moja los suelos o regresa a la atmósfera a través de la evaporación del suelo o evapotranspiración de las plantas. Se estima que hoy en día, para producir los alimentos que se requieren mundialmente, se consumen 6 800 km³ de agua (evaporación y evapotranspiración), de los cuales 1800 km³ son agua azul que se toma de los ríos, lagos y acuíferos, y los otros 5 000 km³ son agua verde que moja los suelos como resultado de la lluvia. En 40 años más se requerirán 10 600 km³ para proporcionar al mundo los alimentos que necesitará; 800 km³ habrán de venir del agua azul, los 5 000 km³ que hoy se consumen de agua verde, que es la que da naturalmente la lluvia, ¡y 4 800 km³ más de agua verde! (gráfica v.2).

El consumo de agua de los cultivos depende de las especies: algunas son más ávidas que otras. Pero además hay que tomaren cuenta que el consumo de agua de las especies animales supera por mucho el consumo de las vegetales, es decir, cuanto más productos animales se consuman, mayor será la demanda de agua. Las cifras anteriores suponen que los futuros pobladores tendrán una dieta de 3 000 kilocalorías (kcal) diarias, de las que solamente 20% provendrá de proteínas de origen animal. Para producir 1 000 kcal de granos se requieren 0.5 m³ de agua, mientras que para la misma cantidad de kcal provenientes de proteína animal se necesitan 4 m³. Esta diferencia es el reflejo de la eficiencia de transformación en los alimentos, pues los de origen animal son de especies mucho más complejas que tienen mayores requerimientos propios. El reto para el año 2050 es tener disponible 70 veces más agua que la que se gasta hoy en día en promedio mundial, un reto formidable considerando que el “promedio mundial” está muy lejos de representar la realidad. Lo que tendrá que hacer la humanidad es encontrar la manera de mejorar la eficiencia en el consumo de agua verde para alcanzar los 4 800 km³ adicionales que se necesitarán. Tal vez eso se logre disminuyendo el agua evaporada en el ciclo hidrológico y la que fluye por escorrentías, al tiempo que se incrementa el agua verde que es evaporada y evapotranspirada (figura V.1).

GRÁFICA V.2. Requerimientos de agua presentes y futuros para alimentar a la humanidad

AGUA PARA LA INDUSTRIA

De la cantidad de agua que se emplea en el sector industrial la mayor parte se destina a la generación de electricidad y sólo 40% se usa en la producción de bienes y servicios. Hay que tener en cuenta, al analizar el impacto del agua en la industria, que se debe distinguir la extraída de la consumida. El agua extraída es el volumen total de agua removida de la fuente de aprovisionamiento, mientras que la consumida es aquella que fue removida y no regresó a la fuente de donde se tomó.

En los últimos 50 años la extracción de agua a nivel mundial para uso industrial pasó de 200 a 800 km³ por año, mientras que el consumo pasó de 20 a cerca de 100 km³ por año. Muchos países en el mundo, notablemente en Europa, han disminuido en los últimos años la cantidad de agua extraída para uso industrial a pesar de haber incrementado la producción de bienes, pues han dedicado un buen esfuerzo a reciclar el agua de los procesos. Desde hace mucho tiempo existe la tecnología suficiente para disminuir al mínimo el porcentaje de pérdidas, sólo que ello implica invertir en limpiar el agua empleada en los procesos para volverla útil de nuevo, algo que la industria no está dispuesta a hacer.

FIGURA V.1. Movimiento del agua en el suelo y su relación con la evapotranspiración

Es el momento de que los gobiernos intervengan para que las empresas aminoren el consumo de agua, sobre todo porque solamente es cuestión de que sacrifiquen un poco sus utilidades.

VI. El agua y la energía

EL AGUA y la energía están íntimamente relacionadas. El agua está presente en casi todas las formas de generación de la energía, desde la más elemental, la combustión de la madera, hasta las modernas formas de generación nucleoeléctrica en donde el agua no sólo se convierte en el vapor que impulsa las turbinas sino que también funciona como el elemento moderador y absorbedor de la radiación en la piscina del reactor. Así que es necesario analizar a fondo el tema de la energía para entender el panorama completo del agua en nuestro frágil ecosistema actual.

La energía está por doquier. Se percibe en el movimiento de los cuerpos, en el calor del Sol, en su luz, en la misma inmovilidad de los objetos, que se puede transformar en movimiento. La primera forma de energía que nuestros antecesores reconocieron y lograron dominar fue la combustión de la biomasa, principalmente de la madera, hace cerca de un millón y medio de años. Ésta continuó siendo la principal fuente de energía hasta la década de 1890 y su desplazamiento por los nuevos combustibles (queroseno y combustóleo) sucedió gradualmente hasta la década de 1930. Cabe decir que en muchos países en vías de desarrollo la combustión de la biomasa sigue siendo el principal energético.

LAS PRIMERAS IDEAS

El fuego es la manifestación de la oxidación de un material combustible; da lugar a calor, luz y varios productos de reacción, principalmente dióxido de carbono y agua. Adquiere diversas coloraciones según la temperatura de combustión y las impurezas presentes en el combustible. Las temperaturas de combustión son muy altas. Para darnos una idea de ellas, en el cuadro VI.1 mostramos algunos ejemplos.

La energía fue reconocida por los griegos más o menos como el concepto del “fuego”. En el siglo x el físico árabe Alhazen consideró que los rayos de luz estaban compuestos por partículas minúsculas de energía (fotones, diríamos hoy en día). El siguiente siglo Aljazini, otro físico árabe, propuso que la energía potencial gravitacional dependía de la distancia de un cuerpo al centro de la Tierra. Ambas consideraciones eran notablemente certeras, como pudo demostrarse muchos siglos después.

CUADRO VI.1. Temperaturas de oxidación generadas por diversos combustibles

El primer científico que abordó el concepto de la energía en el sentido moderno fue Gottfried Wilhelm Leibniz (1646-1716), filósofo, matemático, físico y consejero político alemán de finales del siglo XVII y principios del XVIII. Para Leibniz los cuerpos poseían una “fuerza viva” (vis viva) que dependía de su masa y su velocidad, y la fuerza viva total de un sistema (aislado del exterior) se conservaba. René Descartes e Isaac Newton precisaron que lo que se conserva es el ímpetu o la cantidad de movimiento, concepto propuesto por Galileo en su libro Consideraciones y demostraciones matemáticas sobre dos nuevas ciencias en 1638.

Los conceptos sobre el movimiento y las fuerzas que lo afectan están contenidos en las tres leyes de Newton, publicadas en su célebre libro Principios matemáticos de la filosofía natural, publicado en 1687. En realidad, la contribución real de Newton ha sido grandemente exagerada: la primera y segunda leyes fueron publicadas en 1670 por John Wallis (1616-1703), inglés como Newton, en su libro Mechanica, sive Tractatus de motu [La mecánica, o tratado sobre el movimiento], y el cálculo atribuido a él en realidad fue desarrollado por Leibniz y Wallis por separado. El punto importante es que para ese entonces el concepto de energía se estableció como la capacidad para efectuar un trabajo debido a que proviene de la raíz griega ἐνέργεια, enérgeia, que quiere decir estar activo, trabajando.

El término energía fue utilizado en este sentido por primera vez por Thomas Young (1773-1829), en 1807, y los términos energía cinética y energía potencial fueron propuestos, respectivamente, por el ingeniero y matemático francés Gaspard-Gustave de Coriolis (1792-1843), en 1829, y por el físico escocés William John Macquorn Rankine (1820-1872), en 1853.

El trabajo obtenido de la energía hasta el siglo XVIII procedía fundamentalmente de fuentes naturales como el viento y el agua, así como de las fuerzas humana y animal. Estas fuentes son limitadas, y el nivel de aprovechamiento para la incipiente industria imponía restricciones en la cantidad de productos manufacturados. No sólo eso, sino que el desplazamiento era lento y estaba restringido a zonas relativamente pequeñas.

La Revolución Industrial trajo consigo el aprovechamiento de la fuerza del fuego a través del vapor, con el consiguiente desarrollo de la maquinaria. A partir de entonces la energía transformó muchas áreas de la vida cotidiana. La innovación tecnológica fue el corazón de la Revolución Industrial, y de ella provino el perfeccionamiento de la máquina de vapor. Esto, a su vez, despertó una nueva rama de la ciencia: la termodinámica. La energía, vista desde el punto de vista de esta nueva ciencia, se convirtió en un concepto mucho más general, abarcando todos los tipos de energía.

La termodinámica resultó ser una rama de ciencia de una gran generalidad, para nada limitada a los dispositivos que le dieron origen. Se aplica a procesos pequeños y rige en el interior de las estrellas, aplica a cuerpos materiales y a campos de energía. Es tan general que hay físicos que se ponen nerviosos por tanta generalidad; claro que tanta elegancia tiene el costo de apoyarse en unas matemáticas poco comunes y mediante las cuales no se puede calcular absolutamente nada, a menos que se recurra a la ingeniería.

LA GENERACIÓN DE LA ELECTRICIDAD

A la energía que se encuentra como tal en la naturaleza se le llama primaria; por ejemplo, la que hay en los combustibles, las caídas de agua o el viento.

La electricidad es una energía secundaria, pues se deriva de la transformación de la energía primaria. Así, la energía química de un combustible se puede transformar en eléctrica, pasando por convertirse en térmica (al quemarlo) y finalmente en la energía mecánica del vapor, que impulsa a la turbina. El combustible puede ser nuclear (en un reactor) y, por tanto, es la energía nuclear la que se transforma; el resto del proceso es idéntico.

La electricidad es una forma muy flexible de energía: puede transmitirse a grandes distancias, convertirse en movimiento o calor, o bien, estimular reacciones químicas. Para que haya movimiento de cargas eléctricas tiene que haber una diferencia de potencial. Si esto sucede violentamente, como cuando una nube descarga su energía a través de un rayo, la energía no se puede aprovechar por más grande que sea. Pero si el fenómeno sucede de manera controlada, el flujo de electricidad puede seguir indefinidamente. Esto es lo que sucede en un generador. El generador en su forma más sencilla consta de un conductor que se mueve dentro de un campo magnético. Cuando se mueve el conductor, se genera una presión eléctrica o diferencia de potencial en sus extremos. De manera que para generar electricidad todo lo que hay que hacer es proveer al generador de energía externa para mover el conductor, y mientras ésta se mantenga persistirá el flujo de electricidad.

En la actualidad esto se puede lograr básicamente en tres formas, dos de las cuales requieren agua: en la primera sólo hay que dejarla caer; en la segunda hay que producir vapor; en la tercera la energía externa se convierte de manera directa en electricidad, y ésta es la única que no emplea agua.

La primera forma se conoce como hidroelectricidad, y consiste en hacer pasar un flujo de agua a través de una turbina que es la que mueve el generador. Esto se logra aprovechando una caída de agua o construyendo una represa en un río para provocar un flujo intenso, suficiente para mover la turbina.

La segunda forma es la más extendida, y consta de una caldera que genera vapor, el cual hace girar la turbina que mueve el generador. Esta manera requiere un combustible para que la caldera lleve el agua a su punto de ebullición. El combustible, que puede ser de cualquier tipo, es en lo único en lo que se diferencian las distintas centrales eléctricas. Así, si el combustible quemado es carbón, se tiene una carboeléctrica; si es gas o combustóleo, se tiene una central térmica convencional; si es uranio u otro material fisionable, se tiene una nucleoeléctrica. Una variedad de esta forma de generar electricidad es la geotermia. En este caso la Tierra provee directamente el vapor; la “caldera” es un afloramiento de magma que entra en contacto con un manto subterráneo de agua. El problema con la geotermia es que el vapor que se obtiene contiene muchas sales disueltas que son extremadamente corrosivas e incrustantes, por lo que hay que limpiarlo antes de introducirlo en el generador.

La tercera forma de generar electricidad es mediante las llamadas fuentes no convencionales de energía. Entre estas fuentes se pueden citar la eólica, en la que la energía del viento impulsa directamente el generador; la solar fotovoltaica, en la que la energía solar se convierte directamente en calor por medio de unas celdas que aprovechan el efecto fotovoltaico: un fenómeno en el que las cargas eléctricas de un material se liberan cuando éste absorbe energía radiante; la que producen las mareas, que también pueden proveer energía para mover un generador. Se podría pensar en muchas otras, pues la energía está por doquier, como capturar la energía de un rayo o de un tifón, sólo que con la tecnología actual esto todavía no es viable. Las baterías convencionales son una forma muy cara de generar electricidad, pero tienen la ventaja de ser transportables. La tecnología de las baterías se ha refinado notablemente, en mucho debido a que han proliferado los dispositivos que las requieren: teléfonos celulares, computadoras portátiles, dispositivos auditivos. Una clase muy interesante de baterías son las celdas de comb...