Su uso genera residuos que causan daños en los ecosistemas naturales y humanos. En el caso de las energías fósiles (mayoritarias en el mix global), hablamos de contaminación, acidificación del agua y, especialmente, cambio climático asociado a los gases de efecto invernadero producto de su combustión. Para muchos de sus usos no existen tecnologías desarrolladas que impidan las emisiones, y en el caso de existir como la captura de carbono en centrales eléctricas, implican elevados costes de inversión económica, material y energética, hasta el extremo de que posiblemente la captura de carbono es negativa (terminan emitiendo más) si se toma en cuenta todo el ciclo de vida de los recursos y pérdidas en que se incurre (Sekera y Lichtenberger, 2020). Así pues, la consideración del cambio climático implica, desde un punto de vista de factor limitante por sostenibilidad, la necesidad del abandono de los combustibles fósiles muy rápido en términos históricos: no debemos extraer todas las reservas de combustibles fósiles porque sobrepasaríamos con creces el aumento de 1.5-2ºC que científica y políticamente se considera un límite a no traspasar por las consecuencias muy negativas, incluso catastróficas, sobre los ecosistemas naturales y humanos (Capellán-Pérez et al., 2016; Kerschner y Capellán-Pérez, 2017; Nieto et al., 2020; Capellán-Pérez et al., 2020), más cuando los modelos e informes del IPCC (2022), ya suficientemente dramáticos, probablemente tiende a errar por el lado menos dramático y la situación real es peor de la esperada (Puig Vilar, 2022).

Además, tanto la contaminación como el cambio climático suponen fuente de conflictos sociales locales e interregionales (presión migratoria). Y el propio cambio climático puede cambiar la geografía de las fuentes, por un lado, porque abra nuevas zonas de explotación (por ejemplo, el deshielo de los polos facilitaría la explotación de sus reservas) y por otro lado los efectos sobre el clima dificultan su explotación y uso (huracanes en plataformas petrolíferas y gasísticas, destrucción de infraestructuras y redes de transporte energéticas por incendios, inundaciones, etc.) (IPCC 2022). El cambio climático es un hecho presente que se va a recrudecer en el futuro (más cuánto más tardemos en prescindir de los combustibles fósiles), y, por tanto, como mínimo es un factor limitante de todas las infraestructuras necesarias para la captación de cualquier forma energética, sea renovable o no. En su extremo, la contaminación (por plásticos, y otros contaminantes) y/o un cambio climático catastrófico podría hacer colapsar o hacer decrecer fuertemente la economía y población humanas (Meadows et al., 1972; Capellán-Pérez et al., 2020), por lo que podría convertirse en el factor limitante principal de la adquisición de energía. En tal escenario, al no poderse mantener las estructuras de alta tecnología energética, se añadiría el posible descontrol de las centrales nucleares y los residuos nucleares de alta actividad, empeorando gravemente la situación (que sería de exterminio total si los conflictos armados derivados por la escasez de energía y/o el caos climático terminan en guerra atómica masiva). Estos factores deberían hace ya décadas haber generado un cambio de la matriz energética de forma voluntaria y planificada y, dado que el problema y los riesgos van aumentando, la velocidad de decrecimiento y abandono de estas fuentes no renovables deberá ser cada vez mayor, hasta el punto no solo de abandonarlas en pocas décadas sino de planificar que habrá que desviar energía final de la sociedad para corregir los efectos indeseados y acumulativos de deterioro. Por ejemplo, en los escenarios del IPCC que buscan no sobrepasar los 1.5 y 2ºC terminan exigiendo absorber netamente gases de efecto invernadero de la atmósfera en la segunda mitad del siglo XXI (IPCC, 2022), lo que implica necesidad de energía para esa tarea.

La localización geográfica concentrada en ciertas regiones y países de los combustibles fósiles y nucleares ha sido, es y será fuente de conflictos geopolíticos (Fernández-Durán y González-Reyes, 2014; Turiel, 2020). Esto es un factor limitante porque esos conflictos han escalado en guerras o amenazas donde, como mínimo, se han tenido que mover ejércitos y se han destruido infraestructuras, detrayendo una energía neta a las sociedades que podrían teóricamente haber dispuesto de más energía como conjunto. En los conflictos armados se han venido destruyendo y quemando pozos y depósitos, perdiéndose directamente su capacidad energética. Guerras como la de Ucrania de 2022 han generado tensiones energéticas y se ha dicho que el mercado de los combustibles fósiles se ha utilizado como arma. Muchos países y regiones, en especial los importadores netos de estas fuentes, ven como política estratégica limitar o abandonar el uso de combustibles fósiles precisamente por esta dependencia externa, aduciendo la búsqueda de la autosuficiencia energética (de las fuentes), en general mirando hacia las fuentes renovables y sus tecnologías asociadas, puesto que éstas a priori son más diversas y están menos concentradas geográficamente que las fósiles (EU, 2021 y la réplica en di Felice et al., 2021).

Aunque los stocks de los combustibles fósiles son suficientes para generar un caos climático, está en entredicho que sean tan elevados como para poder seguir las trayectorias más elevadas proyectadas en los BAU (bussines as usual) o seguir las tendencias del pasado, del IPCC (de Castro 2009; de Castro et al., 2009; Kerschner y Capellán-Pérez, 2017; Nieto et al., 2020; Capellán-Pérez et al., 2020). Aún más importante es que la explotación de los combustibles fósiles, en especial los fluidos (gas y petróleo), técnicamente no siguen un patrón que mantenga el flujo hasta la última gota del recurso en el pozo, sino que para mantener un flujo dado, llega un momento en que se necesita incrementar la tecnología y el gasto energético invertido, para, finalmente, que sea inevitable que el flujo empiece a ir disminuyendo hasta que bruscamente se cierre la explotación por no resultar económica y/o energéticamente rentable. Si para extraer y procesar el recurso energético se termina gastando casi tanta energía como la que te puede proporcionar (tasa de retorno energético -TRE- aproximándose igual a uno), este esquema de trabajo sólo se puede mantener si otras fuentes energéticas compensan esa disminución de la TRE y, o bien el sistema económico y político está introduciendo una distorsión ineficaz (ya que son sumideros energéticos lo que se espera que sean fuentes), o en realidad se precisa alguna particularidad especial del vector energético final, aunque se haya convertido la fuente en un sumidero energético, por ejemplo, para obtener líquidos energéticos para el transporte, de no fácil sustitución y alta dependencia actual. La teoría del peak oil, ampliamente comprobada experimentalmente y con buenas bases geofísicas teóricas (Campbell y Laherrere, 1998; de Castro 2009; de Castro et al., 2009), nos explica que el flujo máximo de un combustible fósil o mineral termina siendo menor que si se supone que puede mantenerse hasta la última gota del pozo. El flujo máximo de energía neta, a partir del cual geofísicamente es inevitable que empiece a bajar, es un fuerte factor limitante a considerar, ya que puede generar una tasa de decrecimiento importante, más importante de hecho que muchos escenarios que no contemplan esta posibilidad, aunque contemplen políticas de abandono de los combustibles fósiles. El pico del petróleo llamado convencional es cosa del pasado (Kerscher y Capellán-Pérez, 2017; Turiel, 2020), y los líquidos sustitutos tienen fuertes factores limitantes, en especial porque suelen tener peor TRE, por lo que la energía neta que llega a la sociedad baja o bajará más rápido de lo esperado (Hall et al., 2014). Es decir, aunque no lo hagamos voluntariamente, los fósiles nos irán abandonando en las próximas décadas; y aunque ese abandono no impida malos escenarios de cambio climático (de Castro, 2009; Capellán-Pérez et al., 2020), puede generar cuellos de botella importantes en la matriz energética -con fortísimas consecuencias económicas- en estas próximas décadas dado su ritmo esperado de descenso (Turiel, 2020).

Los sistemas de captación y transformación de energía RES no son renovables, están construidos con materiales que en su mayoría proceden de minas y recursos finitos, no renovables. Estos sistemas hay que construirlos, mantenerlos y desmantelarlos o reformarlos periódicamente, para cualquier fuente, renovable o no. Así, los problemas de contaminación y geopolítica asociados a las minas y dispersión de materiales y la finitud de los recursos materiales están presentes y pueden limitar las RES (Seibert y Rees, 2021). El uso de materiales en infraestructuras por unidad de energía final producida es hoy muy superior para las tecnologías RES modernas que sus equivalentes fósiles, principalmente debido a la baja densidad energética relativa (Capellán et al., 2020; IEA 2021; Valero y Valero, 2021; Pulido et al., 2021). Por tanto, trasladan, pero no resuelven a priori, los problemas geopolíticos derivados de la finitud y concentración geográfica de los depósitos minerales y materiales clave (Seibert y Rees, 2021). La finitud y escasez de ciertos minerales puede ser combatida mediante el aumento de las tasas de reciclado y la sustitución por minerales menos escasos. Sin embargo, los stocks en los sistemas en uso y su velocidad de implantación pueden generar igualmente cuellos de botella por altísima que sea la tasa de reciclado, que, dados los niveles actuales de reciclado y las dificultades técnicas para su incremento, han de tenerse en cuenta (Capellán-Pérez, et al., 2019). En general, la sustitución de un elemento escaso por otro, suele ir en detrimento de la eficiencia del sistema, lo que es lógico si pensamos en que la industria, antes de la escasez, busca aquellos materiales que le den más eficacia.

Los potenciales tecnológicos asequibles y eficacia de los sistemas de captación y transformación se han exagerado y se exageran de forma sistemática en la literatura (ver las denuncias por ejemplo en Boccard 2009; Giampietro y Mayumi, 2009; Miller et al., 2010; de Castro et al., 2013 y 2014; de Castro y Capellán-Pérez, 2018; Seibert y Rees 2021), hasta el punto en que se emplean metodologías para aquellas evaluaciones que violan incluso los principios más básicos de la física (Miller et al., 2010; de Castro et al., 2011; de Castro, 2015; de Castro, 2022; Patzek, 2004 y 2006), sin que haya una rectificación o reconocimiento de los hechos. Incluso, en algunos casos, se llega a tergiversar, a mentir y a atacar personalmente a los autores de estas críticas por investigadores y los propios editores de revistas (Seibert y Rees, 2022; de Castro et al., 2022). Como consecuencia, se sigue dando por presupuesto que las barreras a las tecnologías para evitar el cambio climático son solo económicas y políticas y no tecnológicas, ecológicas o sociológicas (di Felice et al., 2021; Seibert and Rees, 2021; Martin et al., 2022). Además, también derivado de esas exageraciones se han minimizado sus efectos negativos (Giampietro, 2009; Searchinger et al., 2008; Crutzen et al., 2007; Boccard, 2009; Capellán-Pérez et al., 2017; Van de Ven et al., 2021). Por ejemplo, en la evaluación de las TRE y por tanto la de la energía neta que llega a la sociedad, se tiende a maximizar el numerador (la energía producida final), dado que como hemos señalado la literatura científica se ha mostrado sistemáticamente optimista con las eficacias, y se tiende a minimizar el denominador (los insumos energéticos embebidos en la cadena del sistema energético). Por lo que se ha demostrado, en el presente estas TREs son en muchos casos muy bajas, incluso inferiores o próximas a uno, y en el caso de las RES modernas eléctricas, muy probablemente inferiores a las fósiles (de Castro y Capellán-Pérez, 2020, ver tabla 1), aunque estas también tienen una TRE baja si se transforman en electricidad (Brockway et al., 2019). Es decir, la transformación de las fuentes energéticas en electricidad, aunque sea un vector especialmente útil, tiene casi siempre muy baja TRE. La TRE baja de algunas fuentes y la TRE baja en general cuando hablamos de electricidad, puede tanto limitar cuánta energía se puede captar durante este siglo como qué proporción puede tener la electricidad en el mix energético. A su vez, si se hace una transformación muy rápida y se instalan muy rápidamente los sistemas de captación, se puede caer en una trampa energética, ya que la TRE del sistema dinámico cae rápidamente ya que las inversiones energéticas principales se realizan durante la fase anterior a la producción de energía por estos sistemas (Capellán-Pérez et al., 2019). Es decir, el flujo de instalaciones a instalar y no solo la capacidad tecno-sostenible máxima pueden limitar las RES.

La intermitencia de las fuentes RES y que la electricidad no sea almacenable, genera unas necesidades relativas a las fuentes fósiles que requiere de una estrategia multifactorial y coordinada. Así se requiere mucha mayor capacidad a instalar y mayor complejidad de gestión e instalaciones para esa complejidad y para el almacenamiento de la energía en formas no eléctricas (con sus consecuentes pérdidas de transformación). Hoy esta intermitencia mayoritariamente es absorbida por un mix energético fósil capaz de cubrir la demanda energética en los momentos en que las RES no pueden producir, por lo que, si se sustituye la capacidad de almacenamiento y de cubrir la demanda instantánea de energía de las fósiles en el futuro, la cantidad de materiales y la disminución de la TRE asociada, se incrementarían respecto al presente (Capellán-Pérez et al., 2019 y 2020). La dependencia hoy es casi total de las fósiles en toda la cadena que va desde la adquisición de los materiales necesarios en la mina, hasta la construcción, mantenimiento y desmantelamiento de las plantas y sistemas de captación RES. Sobre todo, en el transporte, puesto que éste en más de un 95% está asociado al uso de combustibles líquidos procedentes del petróleo (de Blas et al., 2020, Pulido et al., 2021 y 2022). Es decir, que las limitaciones en las fósiles y la transformación de la cadena energética, limitan la transición a RES al menos temporalmente, requiriendo, por ejemplo, que el sector transporte tenga fuentes renovables al tiempo que los sistemas de captación de esas fuentes requieren del transporte. Por tanto, la transición a RES requiere cambios simultáneos perfectamente acoplados y engrasados en todos los sistemas, desde las minas, pasando por el transporte (por ejemplo los vehículos eléctricos), los propios sistemas de captación, la necesidad de una economía material circular que aumente enormemente las tasas de reciclado, etc. De hecho, nunca en la historia de la humanidad se ha hecho una transformación planificada de la matriz energética en la que las fuentes anteriores no estuvieran en crecimiento (Fernández-Durán y González-Reyes, 2014; Smil, 2008).

La biosfera usa energía y abarca al sistema humano. Esto tiene una doble relevancia, por un lado, porque la contaminación y el cambio climático y sus consecuencias también van a limitar, dependiendo de su grado, cualquier sistema humano mientras este se adapta. La probabilidad de daño a las infraestructuras energéticas o relacionadas, aumenta no solo con el grado de las consecuencias de contaminación y cambio climático, sino también por el montante de las infraestructuras, pues hemos señalado que se requieren más estructuras de captación, transporte y almacenamiento que para las fósiles por unidad de energía generada y, además, las RES están más expuestas a fenómenos meteorológicos extremos ya que necesitan captar de la biosfera la energía primaria (pueden tratar de aislarse del entorno las centrales térmicas y nucleares, pero no un parque fotovoltaico o eólico). A su vez, no se debería olvidar que las fuentes renovables son precisamente las fuentes que usa la biosfera para su metabolismo, es decir, existe una competencia directa por el uso de ríos, vientos, radiación, madera, etc. con el resto de formas de vida y los ciclos biogeoquímicos, de tal forma que pueden competir por los suelos, el agua y el aire con otros usos de los ecosistemas naturales y humanos. Así, hay conflictos históricos y presentes por el uso de tierras y existe cierta controversia sobre el grado en que se pueden evitar los problemas ambientales, más allá del cambio climático: ¿usan menos plásticos, evitan las tasas de extinción de especies y el deterioro de la diversidad, usan menos agua, reducen la deforestación, disminuyen o aumentan la conflictividad -extractivismo- entre países, pueblos y regiones productoras de minerales -como el cobre o el litio o el tántalo- frecuentemente en el Sur global (Latinoamérica, África) o en poblaciones sujetas a dictaduras sin las necesarias medidas de protección social y ambiental (China)? (Alonso-Fradejas, 2021; Dunlap y Marin, 2022; Sánchez et al., 2021; Seibert y Rees, 2021). El cambio climático es condición suficiente para tratar de cambiar el sistema energético rápidamente, pero su aparente solución por vía de la rápida transición de la matriz energética no es garantía de que se resuelvan o disminuyan otros problemas socio-ambientales gravísimos también (Martin et al., 2022; Seibert y Rees 2021; Rehhein et al., 2020; Sonter et al., 2020). Cuando se habla de tecno-sostenibilidad, se debe ir, pues, más allá e incorporar los posibles efectos rebote incluso sobre el cambio climático, ya que pueden aumentar las emisiones durante la transición desde un sistema fósil (Capellán-Pérez et al., 2020).

Se utilizan eficacias realistas presentes de los sistemas frente a la exageración casi sistemática de la literatura (ver epígrafe anterior) que suele fundamentarse en cálculos teóricos o en plantas tipo idóneas en vez de mirar la productividad y condiciones de las plantas promedio mundiales. El aumento de las eficiencias se supone limitado y con tendencia a ser compensado por la disminución esperable de la TRE y la sustitución de materiales en el futuro escasos por otros más abundantes pero menos eficientes (por ejemplo, sustitución del neodimio por otros sistemas o materiales en motores eléctricos o turbinas eólicas, eliminación de la plata en paneles fotovoltaicos por otros elementos de mayor resistividad, disminución del cobre en favor del aluminio -más intensivo en energía- en conductores eléctricos, etc.).

Para que la tecnología proporcione energía neta a la sociedad y sea sostenible, la TRE final en el presente, con la metodología desarrollada en el Grupo de Energía, Economía y Dinámica de Sistemas (GEEDS, de Castro y Capellán-Pérez, 2020), ha de ser mayor de 3:1. La TRE final debe ser ostensiblemente mayor que 1:1 porque ésta no incorpora todos los gastos energéticos indirectos que mantienen el sistema energético (ésta sería la TRE extendida que puede ser la mitad de la final en sistemas complejos como los que nos ocupan) y a su vez, hay que tener un búfer energético porque se incurre en gastos defensivos: por ejemplo, la energía gastada para la corrección de la contaminación causada por los sistemas de captación (Moriarty y Honery, 2019), los accidentes, las guerras o los impactos como el cambio climático o el almacenamiento cuasi-eterno de los residuos nucleares, etc. Se asume que esta TRE no disminuirá, de forma muy optimista, ya que los aumentos en la eficacia suponemos que compensarán un número amplio de tendencias a disminuir en el futuro la TRE (escasez mineral, pérdidas e infraestructuras para gestionar la intermitencia vía sobrecapacidad y almacenamiento, ocupación de peores espacios según nos aproximamos al potencial, etc.). Por último, las TRE estimadas están probablemente sobreestimadas (de Castro y Capellán-Pérez, 2020).

Metodología top-down para estimar los potenciales desarrollada por el grupo GEEDS en las tecnologías que pasen el corte de la TRE (de Castro et al., 2011, 2013 y 2014; de Castro 2015; Capellán-Pérez et al., 2020).

Escenarios de transición rápida a fuentes renovables (Calvo y Valero, 2022; Capellán-Pérez et al., 2020) que consideran el aumento de uso de minerales críticos llevan a que algunos minerales escaseen tanto que se exploten todas sus reservas o incluso recursos. Informes por parte de instituciones (IEA, 2021; American Chemical Society ACS, 2019) advierten de los posibles cuellos de botella que los minerales pueden imponer en el futuro siguiendo las tendencias actuales y aún más en escenarios que aceleran la transición energética, sin embargo aquí no se limitan los potenciales de forma absoluta por ello, pero sí se utilizará cierto principio de precaución. Se asume que el decrecimiento energético futuro que se deduce de nuestros potenciales y un gran aumento en las tasas de reciclado (superando las tendencias) relaja esta situación, también en el propio resto de la economía. Estimaciones más altas que las que vamos a dar generarían una alta contradicción con la accesibilidad de recursos minerales (Capellán-Pérez et al., 2020; Pulido et al., 2021 y 2022; de Blas et al., 2020; Calvo y Valero, 2022). No se consideran los problemas asociados al extractivismo y los conflictos e injusticias que la extracción de minerales genera o que el sistema de captación esté en países y regiones diferentes al del consumo (por ejemplo, si se ponen paneles y turbinas en el Sahara nigeriano para alimentar Europa en vez de Nigeria) y que es esperable que puedan aumentar en proporción de su uso si no se cambia la matriz socio-económica mundial y sus desigualdades.

Se asume que las fósiles podrán apoyar la transición a pesar de su escasez y de que están bajando su TRE (Brockway et al., 2019).

Se asume que no hay un fortísimo decrecimiento energético-material, ni colapso de civilización y que tampoco cambia la matriz socio-económica de forma fundamental. Esto generará una cierta contradicción porque de forma efectiva los resultados que vamos a encontrar suponen un fuerte cambio en las tendencias de evolución del mix energético y un decrecimiento considerable de la cantidad energética disponible tecno-sostenible.

1. Escenario alto.

2. Escenario medio.

3. Escenario bajo.