Exergy assessment of mineral extraction, trade and depletion

Calvo Sevillano, Guiomar
Valero Capilla, Antonio Félix (dir.) ; Valero Delgado, Alicia (dir.)

Universidad de Zaragoza, 2016
(Instituto de Investigación Mixto CIRCE)


Resumen: Natural resources, especially minerals, are present in all products and are a vital component of society. Mineral consumption is experiencing an exponential increase and hence future availability is now playing a major role in resources efficiency policies. For this reason it is fundamental to have the best possible tools, objective and rigorous, that can help to properly account for this loss of resources. Studies cannot only be centered in analyzing current consumption patterns and reserves as it is happening now, but they need to take into account the gradual loss of future availability of resources due to mineral dispersion and the criticality of each of the materials. By means of the Second Law of Thermodynamics, through property exergy and with a so-called Physical Geonomics approach, mineral extraction and dispersion can be assessed. Exergy, traditionally used to assess energy resources, can be also used to account for non-energy minerals. The advantage of this approach over other conventional ones is that it takes into account not only the quantity but also the quality of the given resource. Moreover, it is totally independent of monetary variations, thereby providing more accurate and objective information. Additionally, using this approach, one can easily cross over from the physical to the economic level, linking Thermodynamics with Economics, something that has been largely sought by the school of Ecological Economics. As the basis of Physical Geonomics model was already established in previous studies, the first task of this PhD Dissertation has consisted on improving the available data. For this endeavor, an analysis on real data on energy consumption from different mining industries was performed to obtain new and more accurate data on energy consumption as a function of ore grade. Additionally, using the available information of fossil fuel and electricity consumption over the years, several energy intensity factors have been calculated. The general trend observed is that average ore grade slowly diminishes over time while energy consumption and production increases. Moreover, new data of exergy replacement costs for several mineral substances, meaning the exergy required restoring a resource from a complete dispersed state where no deposits exist to the physical and chemical conditions found in Nature with the available technology, has been calculated and has been added to the initial model. The second task of this PhD Dissertation has been to propose a new indicator (GDP/DMD) that can be used at global level and that can evaluate natural resource efficiency. This new indicator takes into account not only the quantities of materials that are consumed within a region but also the quality of those materials, being able to put the focus on scarcer and critical substances. With GDP/DMD we can have a better and more accurate assessment of mineral depletion and it can be used to enhance more effective actions in the policy making process. The third task has been to include Physical Geonomics into the Ecological Economics approach, which can be extremely helpful to evaluate natural resource efficiency use. One aspect that can be calculated using exergy replacement costs are the mineral market prices and the monetary loss associated to mineral extraction and depletion. Starting from the current mineral market prices, a new mineral price has been estimated considering that scarcity and not only economic factors are being taken into account. This allows seeing the distance between situations in which resources are treated as ordinary goods and situations in which they are treated as physical assets that need to be replaced. Last, this new approach has been applied to several case studies. Spain, the European Union (EU-28) and Colombia have been chosen as examples of regions where mineral extraction and trade is substantial. Different factors, such as mineral depletion, foreign dependency, trade deficit and monetary loss associated to mineral depletion, have been calculated for each case. As demonstrated by all the case studies, carrying out a conventional material flow analysis to study mineral depletion is not enough, as material flow analysis and conventional indicators are usually related to monetary valuation and usually put together substances that are very different from each other, comparing “apples with oranges”. To complement this model and to obtain more realistic and accurate values, an exergy approach is needed, as using exergy replacement costs instead of tonnage as a yardstick we can place focus on the quality of the minerals and have a better overall picture of mineral depletion.

Resumen (otro idioma): Los recursos naturales, especialmente los minerales, están presentes en la práctica totalidad de los productos y son un componente vital para la sociedad. El consumo de materiales ha experimentado un crecimiento exponencial, que se ha acelerado especialmente en las últimas décadas, por lo que la futura disponibilidad de recursos está empezando a jugar un papel fundamental en las políticas relativas a la eficiencia en el uso de recursos. Por este motivo, es imprescindible contar con herramientas que sean lo más objetivas y rigurosas posible, que puedan ayudar a contabilizar de forma adecuada la pérdida de capital mineral relacionada con el consumo. Los estudios no deben centrarse solamente en analizar los patrones de consumo actuales y las reservas disponibles, tal como se hace hoy en día, también es necesario tener en cuenta la pérdida gradual de recursos en el futuro debido a la dispersión de los minerales y a su criticidad. Mediante la Segunda Ley de la Termodinámica, a través de una propiedad llamada exergía y mediante la Geonomía Física, la extracción mineral y su dispersión pueden ser evaluadas. La exergía se ha usado tradicionalmente para evaluar recursos energéticos pero también puede emplearse en el caso de minerales no energéticos. La ventaja fundamental de este enfoque sobre otros métodos convencionales es que tiene en cuenta no solo la cantidad sino también la calidad de un recursos dado. Al mismo tiempo es una propiedad totalmente independiente de factores y variaciones monetarias, siendo así un indicador objetivo y preciso. Mediante este enfoque es sencillo pasar de un análisis económico a uno físico, uniendo la economía con la termodinámica, siendo este uno de los objetivos de la escuela de la Economía Ecológica. Dado que la base de la Geonomía Física ya fue establecida en estudios previos, la primera tarea de esta tesis doctoral ha consistido en mejorar los datos disponibles. Para ello, se ha llevado a cabo un análisis de datos reales de consumo energético para obtener nuevos y más precisos valores sobre consumo de energía en función de la concentración de los minerales en la mina. Del mismo modo, empleando datos de consumo de electricidad y combustible diesel a lo largo de los años, se han obtenido distintos factores de uso energético. La tendencia general que muestran los datos es que cuanto más disminuye la ley del mineral en la mina, la cantidad de energía consumida aumenta. Partiendo de estos mismos datos, se han calculado nuevos costes exergéticos de reposición, es decir, la exergía necesaria para restaurar un recurso desde un estado completamente disperso hasta las condiciones físicas y químicas que se encuentran en la naturaleza empleando la tecnología disponible, para distintas sustancias. El segundo objetivo ha sido proponer un nuevo indicador que pueda ser empleado a nivel global para evaluar la eficiencia en el uso de recursos naturales. Este nuevo indicador (GDP/DMD) tiene en cuenta no solo las cantidades de materiales que se consumen en una determinada región sino también la calidad de esos mismos materiales, siendo así capaz de hacer énfasis en aquellas más críticos y escasos. Con el indicador GDP/DMD se puede llevar a cabo un análisis mejor y más preciso de la dispersión mineral pudiéndose así emplear para promover acciones más efectivas y concretas en las políticas enfocadas al estudio del consumo de recursos. El tercer objetivo ha sido incluir la Geonomía Física dentro de la rama de estudio llamada Economía Ecológica, función que puede ser extremadamente útil para evaluar el uso de recursos. Un aspecto que puede ser calculado empleando los costes exergéticos de reposición son los precios del mercado de los minerales y la pérdida monetaria asociada a la extracción mineral y consecuente dispersión. Partiendo de los precios actuales de los minerales en el mercado, un nuevo valor puede ser estimado teniendo en cuenta su escasez y no solo factores económicos. Esto permite ver la distancia entre una situación donde los recursos son tratados exclusivamente como una mera mercancía y una situación en la que se tratan como activos físicos que deben ser reemplazados. Finalmente, este enfoque ha sido aplicado a distintos casos de estudio. España, la Unión Europea (EU-28) y Colombia han sido elegidos como ejemplos de regiones donde la extracción y comercio de minerales tienen mucha importancia. Distintos factores, tales como el agotamiento de los recursos, la dependencia del exterior, el déficit comercial y la pérdida monetaria asociada a la dispersión de los minerales han sido calculados para cada uno de estos casos. Tal y como se ha podido demostrar en estos los estudios, llevar a cabo un análisis convencional de flujo de materiales no es suficiente a la hora de estudiar el agotamiento de los recursos minerales, ya que los análisis convencionales suelen estar relacionados con factores económicos y comparan sustancias que son muy distintas unas de otras, sumando así “peras con manzanas”. Para complementar este modelo y para obtener datos más realistas y precisos, se ha empleado la exergía, usando los costes exergéticos de reposición en vez de las toneladas como criterio básico, ya que así se puede hacer más énfasis en la calidad de los minerales y tener así una mejor aproximación de la situación general.

Pal. clave: geología ; ingeniería y tecnología del medio ambiente ; tecnología energética ; contabilidad económica

Área de conocimiento: Prospectiva e investigación minera

Departamento: Instituto de Investigación Mixto CIRCE

Nota: Presentado: 25 02 2016
Nota: Tesis-Univ. Zaragoza, Instituto de Investigación Mixto CIRCE, 2016



 Registro creado el 2016-04-18, última modificación el 2017-12-21


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