En pasado mes de marzo, el gobierno español lanzó la iniciativa España 2050 https://www.espana2050.com/espana2050 que pretendía ser una reflexión sobre el futuro del país a largo plazo realizada con la colaboración de un centenar de expertos y expertas de reconocido prestigio. GEEDS-UVa no fue incluido en el grupo inicial de redactores del documento pero, posteriormente, se nos solicitó nuestra opinión al respecto. Por ello remitimos a Presidencia del Gobierno nuestros comentarios acerca del Desafío 4: Convertirnos en una sociedad neutra en carbono,  sostenible y resiliente al cambio climático, ya que es el capítulo más relacionado con nuestras investigaciones. 

Como estos comentarios no han sido incluidos, de momento, en el texto, nos ha parecido de interés publicarlos en nuestro blog en este resumen que hemos elaborado.

Comentario 1: disponibilidad de combustibles fósiles.

En la página 180 del documento  https://www.lamoncloa.gob.es/presidente/actividades/Documents/2021/200521-Estrategia_Espana_2050.pdf  se dice lo siguiente :

“A esta senda de emisiones hay que añadir, a su vez, una tendencia creciente en el uso de los recursos naturales, cuya demanda mundial podría duplicarse en las próximas décadas, un incremento del 70% en la generación de residuos y un aumento de la cantidad de plásticos vertidos a los océanos, que podría casi triplicarse de aquí a 2040.”

Nos parece importante reseñar que, aunque la demanda de todo tipo de recursos tienda a incrementarse a lo largo de este siglo, es imposible que la disponibilidad de los mismos se duplique de aquí a 2050.  En este sentido GEDDS-UVa ha estudiado la disponibilidad de recursos en varios estudios [1] [2] [3] prestando especial atención al declive de los combustibles fósiles y, en particular, al petróleo, dada la tendencia de estancamiento de la producción de petróleo convencional que se lleva observando los últimos diez años (ver figura 1) [4] y las previsiones de su declive a lo largo de este siglo [5] (ver figura 2). Por ello nos parece importante hacer ver al Gobierno que es muy probable que la disponibilidad de petróleo esté muy lejos de aumentar en las próximas décadas y un patrón similar seguirán el gas natural y otros recursos naturales.

Comentario 2: hidrógeno

Uno de los desarrollos tecnológicos que se contemplan en el documento del Gobierno es el uso del hidrógeno. De él se dice, por ejemplo:

“Otro de los vectores de transformación que puede jugar un papel clave en la descarbonización de nuestro sistema energético es el uso de hidrógeno renovable en sectores como la industria o el transporte pesado, ambos difíciles de electrificar. El hidrógeno podría servir, además, para almacenar energía procedente de fuentes renovables que ayudaría a garantizar el suministro cuando esta domine nuestro sistema energético. Su desarrollo se conseguirá, entre otras cosas, a través del despliegue de electrolizadores que convierten el agua en hidrógeno usando energías renovables, de estaciones de recarga para vehículos de transporte y de la construcción de las instalaciones necesarias para su uso en la industria.”

Aunque el hidrógeno puede ser un vector energético interesante por tener más densidad energética que las baterías, es preciso tener en cuenta un inconveniente que lo lastra enormemente: la eficiencia de toda su cadena de producción y transformación.

Hasta el momento GEEDS-UVa no ha estudiado el hidrógeno como vector energético. Pero es bien sabido que el rendimiento de la cadena de generación y procesamiento del hidrógeno es muy ajustado. Si, además, éste se obtiene de fuentes renovables como la fotovoltaica las tasas de retorno energético de todo el sistema pueden terminar siendo muy reducidas e incluso menores que 1 (energía neta entregada negativa).

Una tasa de retorno energético negativa da como resultado que se invierte más energía en la creación de las infraestructuras que la que va a recuperarse en toda su vida útil, es por ello en lugar de una fuente de energía tenemos un gasto que debe ser subvencionado energética y económicamente por toda la sociedad.

Por ello es vital que, antes de destinar inversiones públicas a proyectos de hidrógeno verde, el Gobierno de España se asegure de que la tasa de retorno energético de todo el proceso de generación eléctrica más la generación y procesamiento del hidrógeno da resultados positivos.

Si este análisis no se realiza antes de que se desarrollen las infraestructuras, se corre el riesgo de invertir millones de euros en tecnologías que no aportan energía, sino que la desperdician y no tendrán utilidad futura en absoluto ni servirán para crear conocimiento técnico que pueda beneficiar la economía española.

También sería muy adecuado que el Gobierno de España exigiera un estudio de la Tasa de Retorno Energético a todos los proyectos relacionados con la generación de energía que opten a fondos Next Generation, especialmente a los que ya se conoce que pueden tener rendimientos ajustados.

Comentario 3: movilidad eléctrica

El documento hace mención al vehículo eléctrico como alternativa al actual modelo basado en vehículos de combustibles líquidos, afirmando, por ejemplo, que:

“La movilidad se verá transformada por la difusión del automóvil eléctrico, que será cada vez más económico y competitivo, y que constituirá el grueso del parque móvil español a mediados de siglo.”

Sin embargo, el vehículo eléctrico presenta importantes limitaciones que han sido estudiadas en dos artículos publicados por GEEDS [6] [7]. En ellos se exploran 4 escenarios de cambio de movilidad hasta 2050:

• Trends: continuar con las actuales tendencias.
• EV high: fuerte electrificación del transporte.
• E-bike: cambio a vehículos eléctricos muy ligeros.
• Degrowth: escenario diseñado para cumplir los objetivos.

Estos escenarios se basan principalmente en el cambio de vehículos, tanto para movilidad de pasajeros como de mercancías.

En las figuras 3 y 4 se pueden ver los cambios en los porcentajes de vehículos que proponen nuestros escenarios.

Se descarta el uso de biocombustibles como alternativa para descarbonizar el transporte ya que su aportación ambiental viene sujeta a sus efectos indirectos de deforestación y cambio de uso de los suelos en otros países  (ahora particularmente Brasil) [8]. Los biocombustibles solo pueden reducir emisiones de gases de efecto invernadero si no se traducen en deforestación en otros países y en algunos casos se ha observado que su balance de absorción de carbono neto es negativo [9] y compiten con el cultivo de alimentos [10]. Además, el uso de biocombustibles a gran escala requiere una ocupación de tierras fértiles fuera de toda lógica [11]. La densidad energética que hemos observado de los actuales biocombustibles es de 0,3 W/ha, lo que hace que, para satisfacer el actual consumo de combustibles líquidos mundial de 200 EJ anuales, necesitemos 2100 millones de tierras arables, cuando el planeta sólo posee 1500 millones de hectáreas de tierras arables.

Las figuras 5 y 6 muestran las emisiones del transporte mundial (únicamente del transporte) obtenidas con estos escenarios y el PIB también mundial. 

Se puede ver que incluso escenarios muy ambiciosos de cambio de vehículos son incapaces de conseguir las reducciones de emisiones deseadas en escenarios de crecimiento. Ello se debe, sobre todo, a la dificultad de descarbonizar sectores como el transporte aéreo y marítimo y al efecto rebote que el ahorro energético supone sobre otros sectores de la economía.

Además, nuestros estudios han analizado los minerales necesarios para las baterías, cargadores y vehículos eléctricos para la estos escenarios y  muestran que la transición al vehículo eléctrico va a encontrar importantes limitaciones de disponibilidad de minerales. Cada vez es más frecuente encontrar publicaciones que señalan que el agotamiento de los minerales estratégicos es uno de los talones de Aquiles de la transición energética [12] [13]. La Comisión Europea [14] [15] [16] , el Banco Mundial [17] y algunos gobiernos [18] han mostrado en los últimos años su preocupación por esta dependencia. En la Tabla 1 se puede ver el porcentaje de reservas que serían necesarias para alcanzar los escenarios propuestos. Se puede ver que muchos de ellos ellos superan el 100% de las reservas de algunos minerales, a pesar de que las tasas de reciclado se doblan.

Las principales conclusiones del estudio sobre el transporte son las siguientes:

• Los biocombustibles no pueden ser una solución a gran escala debido a su desproporcionada ocupación de territorio por unidad de energía entregada [19].

• Combustibles alternativos como el metano sintético o el hidrógeno deben ser analizados con mucha cautela, debido a los ajustados rendimientos y a la probabilidad de que su tasa de retorno energético sea muy cercana o menor que uno, como ya se ha demostrado que es la de los biocombustibles.

• El automóvil eléctrico, por sí sólo, está muy lejos de conseguir tasas de descarbonización elevadas en el transporte.

• Se debe prestar más atención al transporte de mercancías y a la aviación, ya que son sectores muy difícilmente electrificables, y, para conseguir ratios elevados de descarbonización, requieren drásticas reducciones de uso. Además, son sectores enormemente frágiles ante la escasez de combustibles líquidos que puede derivarse del declive de la producción de petróleo.

• Si no se aplican políticas de reciclado de los minerales estratégicos muy ambiciosas a nivel internacional, las reservas de algunos minerales clave para la movilidad eléctrica se agotarán antes de 2050 (ver tabla 1).

• Los recursos totales presentes en la biosfera de algunos minerales (litio, entre otros) también se acercan al agotamiento en escenarios de alta electrificación (tabla 2). Esto sucede, incluso, en escenarios que no son capaces de descarbonizar un 80% el transporte mundial. La sustitución de minerales por otros menos escasos es posible, pero, normalmente, a base de disminuir los rendimientos y prestaciones técnicas.

• Una alternativa a la escasez de minerales críticos para el transporte eléctrico es la apuesta por vehículos mucho más ligeros, sobre todo para el transporte urbano (escenario E-bike).

• No se debe olvidar que la minería tienen importantes impactos ambientales sobre el agua [20] y  la biodiversidad [21] y es, por ello, fuente de conflictos sociales.

Comentario 4: tasa de retorno energético

Los minerales necesarios para conseguir la transición renovables de la energía eléctrica han sido estudiados por GEEDS-UVa mediante el modelo MEDEAS en este artículo [22]. En él se calculan tres escenarios en los que en 2060 el 100%, el 75% o el 50% de la electricidad es solar fotovoltaica.  Se supone un crecimiento económico en los tres escenarios del 1,4%.

Este artículo se basa en el estudio de la tasa de retorno energético [23] derivada de la extracción de minerales y de otros materiales para la construcción de infraestructuras de energía renovable.

La tasa de retorno energético dinámica usada en este trabajo (TRE_din o EROI_din) es el cociente, en cada año, entre la energía invertida ese mismo año en el establecimiento de infraestructuras energéticas de todo tipo y la energía extraída ese mismo año de todo tipo de fuentes.

En la figura 7 se puede ver el porcentaje de electricidad renovable alcanzado cada año bajo los tres escenarios y la tasa de retorno energético de todo el sistema socio económico. Se puede ver que en escenarios de rápida inversión en renovables se produce el fenómeno llamado “energy trap”: el establecimiento rápido de las infraestructuras futuras lastra la extracción de energía presente y la TRE baja a umbrales muy críticos.

Una tasa de retorno energético cercana a uno significa que las fuentes de energía dejan prácticamente de serlo ya que se invierte tanta energía en establecerlas como la que finalmente éstas entregan a la sociedad.

También en otros trabajos del grupo se ha calculado la tasa de retorno energética estática de la energía solar de concentración (CSP) [24] y de otras tecnologías [25]

Comentario 5: impactos sobre el territorio

Otro de los límites de la energía solar que nuestro grupo ha estudiado es el relativo a la ocupación de territorio.

En  este estudio de 2013 [26] vimos que la ocupación de territorio de la energía solar fotovoltaica, calculada con datos top-down, era mayor de lo que habitualmente se reportaba en la literatura. Es estos otros trabajos [27] [28] se ha hecho un análisis detallado de los requerimientos de territorio para cubrir las necesidades de energía eléctrica mediante energía fotovoltaica en algunos países utilizando como herramienta en modelo de evaluación integrada GCAM (en colaboración con BC3).

En la figura 8  se puede ver la comparación entre los diferentes usos del suelo de varios países y las necesidades de territorio para cubrir en cada país, con territorio propio, el 100% de sus necesidades de electricidad con energía solar fotovoltaica [29] 

Se puede ver que este porcentaje es menor del 10% para algunos países (entre ellos España) pero supera el 30% para algunos países europeos como Países Bajos, Malta o Bélgica y está muy cerca de esos valores para países muy poblados y con altos consumos como Alemania y Reino Unido.

En este otro estudio [30] se realizó un análisis por regiones más amplias, realizando la comparación demanda-disponibilidad por región para la UE-17, Japón-Corea del Sur y China y con sólo un 50% de electricidad solar en el mix eléctrico. En la figura 9 se puede ver el porcentaje de ocupación de territorio necesario se distribuye dentro de cada región en función del potencial de cada territorio, asignándose más ocupación a aquellos territorios dentro de una región con más horas de sol.

De esa manera se puede ver que el sudeste español concentraría densidades de ocupación del territorio que rondan el 5%, mientras las tierras arables son un 23% del territorio total (media nacional).  Estos datos se doblarían si quisiéramos tener un 100% de energía eléctrica solar y nos daría un 10% del territorio ocupado en algunas regiones (y si todas las instalaciones se situasen sobre tierra arable quedarían ocupadas un 46% de las mismas) y aumentarían si creciera la demanda debido al crecimiento económico o a la movilidad eléctrica o si se añadiesen las pérdidas por transporte y almacenamiento energético (uso del hidrógeno como vector).

Ello pone de manifiesto que escenarios de 100% de suministro eléctrico en los cuales se quisieran cubrir las necesidades de todos los países de la UE con energía solar en un mercado único representarían una carga sobre el territorio hispano de magnitudes inadmisibles, con grave afectación del paisaje y el resto de los usos del territorio. Si, además, las plantas fotovoltaicas se instalasen en tierras arables (como se está haciendo en los últimos meses) la fotovoltaica haría inviable gran parte de la agricultura.

Comentario 6:  Suelos y agricultura.

Una de las formas más eficaces de compensar la creciente aridez y los patrones de lluvias erráticos que se prevé que traiga el cambio climático es la regeneración de los suelos agrícolas. Los suelos ricos en materia orgánica, con buena estructura y/o con coberturas vegetales son mucho más capaces de retener el agua de lluvia y compensar tanto los periodos de sequía como las precipitaciones extremas [31].

Los sistemas de labranza reducida o sin labranza, los cultivos de cobertura, el cultivo intercalado, la integración del ganado con los cultivos y, sobre todo, el manejo holístico del ganado o el pastoreo racional Voisin (PRV), son técnicas que están mostrando ser eficaces, tanto para conseguir una importante captura de carbono [32] [33] [34] [35], como para mejorar la fertilidad del suelo agrícola y en algunos casos (especialmente en el manejo holístico y el PRV) aumentando notablemente los rendimientos [36] [37].

Por otra parte, el potencial de secuestro de carbono de los suelos agrícolas está recibiendo una atención creciente por parte de los investigadores y los organismos internacionales. Algunos autores reportan capturas de carbono de  8,0 Mg/ha/año y un aumento de la capacidad de retención del agua del 95% [38]. Las Naciones Unidas estiman que el potencial total de secuestro de carbono de los suelos agrícolas y la vegetación podría equivaler a entre el 20% y el 60% de las actuales emisiones de carbono [39].

Estas técnicas dependen de la adopción de estilos de manejo agroecológico, ya que la agricultura basada en insumos químicos es incapaz de potenciar la actividad de los hongos y la microbiota del suelo que se está mostrando clave a la hora de potenciar la absorción de carbono [40]. La agroecología ha recibido una atención muy baja por parte de las instituciones hasta el momento, según SEAE [41] sólo el 7% de los fondos del 7º Programa Marco de la UE se dedicaron a la investigación en agricultura ecológica.  Abordar este vacío de investigación es extremadamente importante para un país como el nuestro donde la mayor parte de los suelos agrícolas, especialmente en las regiones continental y mediterránea, tienen contenidos de materia orgánica inferiores al 1,6% [42].

Además, la transición a una agricultura ecológica es un reto inaplazable, ya que el agotamiento del petróleo, el gas natural, el fósforo [43] [44] y otros recursos no renovables utilizados ampliamente en la agricultura actual ponen en riesgo las producciones futuras si no se aplican técnicas avanzadas de agroecología que sean capaces de revertir la caída de los rendimientos que se observa cuando los insumos de síntesis química no pueden aplicarse [45].

Comentario 7: técnicas de captura y secuestro de CO2

A pesar de la gran cantidad de fondos de investigación y el desarrollo que se han invertido en las últimas décadas en estas técnicas, hasta el momento no existe ninguna gran central eléctrica de combustibles fósiles que utilice técnicas de captura y secuestro de carbono (CCS) a nivel comercial. También los programas de demostración con apoyo público tienen dificultades para realizar proyectos reales, como el NER3000 europeo. Por ello, existe una gran incertidumbre en relación con la futura disponibilidad técnica y comercial de las técnicas de CCS a gran escala [46] [47]. 

En el proyecto MEDEAS se realizó un análisis de la tasa de retorno energético de la generación eléctrica incorporando este tipo de técnicas [48] y se llega a  la conclusión de que el uso de la captura de CO₂ baja drásticamente su tasa de retorno energético, lo que explicaría el escaso éxito comercial de estas tecnologías. A mayores, cuando se utilizan técnicas de captura de carbono basadas en energías de la biomasa BECCS, la tasa de retorno energético podría caer a valores menores que uno.

Aunque estos resultados son preliminares y sería deseable contar con análisis más detallados, es preciso ser cautos a la hora de confiar en estas tecnologías, ya que las perspectivas de uso que se encuentran en numerosos planes nacionales e internacionales suelen ser excesivamente optimistas acerca de sus posibilidades técnicas.

Las técnicas que pueden ser más prometedoras a la hora de fijar carbono atmosférico son aquellas basadas en captura por medios biológicos, como las descritas en el comentario 5, especialmente (por sus altos rendimientos) las basadas en pastoreo rotativo [49]  [50]. Estas técnicas tienen la ventaja de no competir con la producción de alimentos ni con la extracción de madera de los bosques (como sí hacen las BECCS).

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[1] Mediavilla et al., “The Transition towards Renewable Energies: Physical Limits and Temporal Conditions.”

[2] De Castro et al., “A Top-down Approach to Assess Physical and Ecological Limits of Biofuels.”

[3] Pulido-Sánchez et al., “Analysis of the Material Requirements of Global Electrical Mobility.”

[4] Wachtmeister and Höök, “Investment and Production Dynamics of Conventional Oil and Unconventional Tight Oil: Implications for Oil Markets and Climate Strategies.”

[5] https://aspofrance.files.wordpress.com/2021/06/oil-productionforecasts.pdf

[6] de Blas et al., “The Limits of Transport Decarbonization under the Current Growth Paradigm.”

[7] Pulido-Sánchez et al., “Analysis of the Material Requirements of Global Electrical Mobility.”

[8] Land Clearing and the Biofuel Carbon Debt. Fargione, J et al.  Science, 29 Feb 2008:Vol. 319, Issue 5867.

[9] Use of U.S. Croplands for Biofuels Increases Greenhouse Gases Through Emissions from Land-Use Change.  Searchinger, T. et al. Science, 29 Feb 2008:Vol. 319, Issue 5867, pp. 1238-1240.

[10] Tyner, “Biofuels and Food Prices: Separating Wheat from Chaff.”

[11] De Castro et al., “A Top-down Approach to Assess Physical and Ecological Limits of Biofuels.”

[12] Junne et al., “Critical Materials in Global Low-Carbon Energy Scenarios: The Case for Neodymium, Dysprosium, Lithium, and Cobalt.”

[13] Fizaine and Court, “Renewable Electricity Producing Technologies and Metal Depletion: A Sensitivity Analysis Using the EROI.”

[14] European Commision, “COMMUNICATION FROM THE COMMISSION TO THE EUROPEAN PARLIAMENT, THE COUNCIL, THE EUROPEAN ECONOMIC AND SOCIAL COMMITTEE AND THE COMMITTEE OF THE REGIONS Critical Raw Materials Resilience: Charting a Path towards Greater Security and Sustainability.”

[15] Bobba et al., “Critical Raw Materials for Strategic Technologies and Sectors in the EU – a Foresight Study.”

[16] European Comission: Enterprise and Industry, “Critical Raw Materials for the EU, Report of the Ad-Hoc Working Group on Defining Critical Raw Materials.”

[17] World Bank, “Minerals for Climate Action: The Mineral Intensity of the Clean Energy Transition.”

[18] van Exeter et al., “Metal Demand for Renewable Electricity: Navigating a Complex Supply Chain.”

[19] De Castro et al., “A Top-down Approach to Assess Physical and Ecological Limits of Biofuels.”

[20] Northey et al., “The Exposure of Global Base Metal Resources to Water Criticality, Scarcity and Climate Change.”

[21] Sonter et al., “Renewable Energy Production Will Exacerbate Mining Threats to Biodiversity.”

[22] Capellán-Pérez, de Castro, and Miguel González, “Dynamic Energy Return on Energy Investment (EROI) and Material Requirements in Scenarios of Global Transition to Renewable Energies.”

[23] Hall, Lambert, and Balogh, “EROI of Different Fuels and the Implications for Society.”

[24] de Castro and Capellán-Pérez, “Concentrated Solar Power: Actual Performance and Foreseeable Future in High Penetration Scenarios of Renewable Energies.”

[25] Castro and Capellán-Pérez, “Standard, Point of Use, and Extended Energy Return on Energy Invested (EROI) from Comprehensive Material Requirements of Present Global Wind, Solar, and Hydro Power Technologies.”

[26] De Castro et al., “Global Solar Electric Potential: A Review of Their Technical and Sustainable Limits.”

[27] van de Ven et al., “The Potential Land Requirements and Related Land Use Change Emissions of Solar Energy.”

[28] Capellán-Pérez, de Castro, and Arto, “Assessing Vulnerabilities and Limits in the Transition to Renewable Energies: Land Requirements under 100% Solar Energy Scenarios.”

[29] Capellán-Pérez, de Castro, and Arto.

[30] van de Ven et al., “The Potential Land Requirements and Related Land Use Change Emissions of Solar Energy.”

[31] Franzluebbers, “Soil Organic Matter Stratification Ratio as an Indicator of Soil Quality.”

[32] Aguilera et al., “Agriculture , Ecosystems and Environment Managing Soil Carbon for Climate Change Mitigation and Adaptation in Mediterranean Cropping Systems : A Meta-Analysis.”

[33] González-Sánchez, E.J., Ordóñez-Fernández, R., Carbonell-Bojollo, R., Veroz-González, A., Gil-Ribes, “Meta-Analysis on Atmospheric Carbon Capture in Spain through the Use of Conservation Agriculture.”

[34] MacHmuller et al., “Emerging Land Use Practices Rapidly Increase Soil Organic Matter.”

[35] West, Tristam, Post, “Soil Organic Carbon Sequestration Rates by Tillage and Crop Rotation: A Global Data Analysis.”

[36] Díaz de Otálora et al., “Regenerative Rotational Grazing Management of Dairy Sheep Increases Springtime Grass Production and Topsoil Carbon Storage.”

[37] Ponisio et al., “Diversification Practices Reduce Organic to Conventional Yield Gap.”

[38] MacHmuller et al., “Emerging Land Use Practices Rapidly Increase Soil Organic Matter.”

[39] United Nations, “Putting Carbon Back Where It Belongs – the Potential of Carbon Sequestration in the Soil.”

[40] Kallenbach, Frey, and Grandy, “Direct Evidence for Microbial-Derived Soil Organic Matter Formation and Its Ecophysiological Controls.”

[41] SEAE, “Evidencias Científicas Sobre La Producción Ecológica.”

[42] Romanyà Socoró, Rovira, and Vallejo, “Análisis Del Carbono En Los Suelos Agrícolas de España: Aspectos Relevantes En Relación a La Reconversión a La Agricultura Ecológica En El Ámbito Mediterráneo.”

[43] Cordell, Drangert, and White, “The Story of Phosphorus: Global Food Security and Food for Thought.”

[44] https://pubs.usgs.gov/periodicals/mcs2021/mcs2021-phosphate.pdf

[45] Ponisio et al., “Diversification Practices Reduce Organic to Conventional Yield Gap.”

[46] Scott et al., “Last Chance for Carbon Capture and Storage.”

[47] Reiner, “Learning through a Portfolio of Carbon Capture and Storage Demonstration Projects.”

[48] MEDEAS Deliverable 4.1 https://medeas.eu/system/files/documentation/files/Deliverable%204.1%20%28D13%29_Global%20Model.pdf

[49] MacHmuller et al., “Emerging Land Use Practices Rapidly Increase Soil Organic Matter.”

[50] Díaz de Otálora et al., “Regenerative Rotational Grazing Management of Dairy Sheep Increases Springtime Grass Production and Topsoil Carbon Storage.”

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Referencias

Margarita Mediavilla Pascual