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CAPÍTULO 1Contexto energético
CAPÍTULO 1: CONTEXTO ENERGÉTICO
Bibliografía principal
D. Alonso. Recursos energéticos. Notas de curso.
International Energy Agency, Key World Energy Statistics
https://webstore.iea.org/key-world-energy-statistics-2018
Bibliografía adicional
T. K. Gosh y M. A. Prelas. Energy Resources and Systems
Capítulo 1, pp. 1-21
J. Twidell y T. Weir. Renewable Energy Resources.
Capítulo 1, pp. 1-24
M. Kaltschmitt, W. Streicher y A. Wiese. Renewable Energy Technology , Economics and Environment.
Capítulo 1, pp. 1-10
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IMPORTANCIA DE LA ENERGÍA
Evolución histórica de las fuentes utilizadas
Durante miles de años el grueso del trabajo mecánico lo realizaban los animales y el hombre. Además se utilizaban las fuerzas de la naturaleza para mover barcos, molinos, etc.
La situación cambió radicalmente a partir del siglo XVIII con la Revolución Industrial.
La invención de la máquina a vapor permitió disponer de grandes cantidades de energía. Luego se incorporaron la turbina a vapor y los motores de combustión interna.
A fines del siglo XIX los combustiblesmás utilizados eran el carbón y el petróleo, agregándose el gas natural y los combustibles nucleares en el siglo XX.
Actualmente, la mayor parte de la energía utilizada (~85%) proviene de combustibles fósiles.
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IMPORTANCIA DE LA ENERGÍA
La disponibilidad de energía ayudó a mejorar la calidad de vida en muchos países respecto del período pre-industrial.
Sin embargo, aún existe una gran disparidad en la disponibilidad y consumo de energía.
1000 millones de personas no tienen acceso a la electricidad
2000 millones (Asia, África sub-sahariana y áreas rurales) utilizan biomasa en forma tradicional (ineficiente) para cocinar.
Muchos países deben importar energía.
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IMPORTANCIA DE LA ENERGÍA
Energía y desarrollo socioeconómico.
Relación directa entre consumo y desarrollo socioeconómico.
Es posible observar esto en el gráfico que indica el consumo de energía per cápita promedio para cada país?
La unidad es el kg de petróleo equivalente (kgoe).
http://data.worldbank.org/indicator/EG.USE.PCAP.KG.OE/countries/1W?display=map
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IMPORTANCIA DE LA ENERGÍA
Energía y desarrollo socieconómico (cont.)
Países industrializados (EE.UU, Europa occidental, Japón, etc.)
La demanda se incrementa en forma suave.
Altos consumos per cápita. Consumen el 40% de la energía mundial.
Buena infraestructura energética y capacidad de implementar políticas de eficiencia y protección del medioambiente.
Países con rápida industrialización (China, Brasil, India, etc.)
Incremento abrupto en la demanda.
Amplias diferencias en el consumo entre habitantes. Algunas ciudades tienen consumos similares a países industrializados.
Necesitan incorporar infraestructura. Poca inversión en eficiencia y protección del medioambiente.
Países no desarrollados (algunos de África, Bangladesh, etc.)
Desarrollo industrial y económico-social pobre.
Energía en base a biomasa y fuerza muscular de personas y animales.
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RECURSOS ENERGÉTICOS
Clasificación
Existen varias maneras de clasificarlas.
Por ejemplo, si lo hacemos en base a su persistencia o capacidad de regenerarse en una escala acorde al desarrollo de la vida humana, resultan:
No renovables
Renovables
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RECURSOS ENERGÉTICOS
Recursos no renovables
Son fuentes estáticas que permanecen en la tierra a menos que sean extraídas por el hombre.
Son recursos finitos, limitados en el tiempo, se agotan o la velocidad de regeneración es mucho menor que la de explotación.
Combustibles fósiles:
Petróleo,
Gas natural
Carbón
Combustibles nucleares
Uranio
Torio
Minerales utilizados en baterías primarias (pilas)
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RECURSOS ENERGÉTICOS
Recursos renovables
Producen flujos naturales persistentes, prácticamente inagotables o que se regeneran a mucha mayor velocidad que la de consumo.
Radiación solar (directa)
Térmicos, fotoeléctricos y fotoquímicos
Radiación solar (indirecta)
Eólica, hidráulica, biomasa
Calor proveniente del núcleo de la tierra (enfriamiento del núcleo, reacciones químicas y decaimiento radioactivo)
Geotérmica
Fuerza gravitatoria entre el sol, la luna y la tierra
Mareomotriz
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RECURSOS NO RENOVABLES
Carbón
Principal fuente de energía hasta 1960. Aún es una de las más utilizadas (~30%).
De origen orgánico, comenzó a formarse hace ~300 millones de años durante el período carbonífero superior de la era Paleozoica.
Los restos de plantas siguieron un proceso metamórfico de múltiples etapas y millones de años denominado carbonificación.
Cuanto mayores eran las presiones y temperaturas, el carbón resultó más compacto, con mayor contenido de carbono y mayor poder calorífico.
La composición del carbón depende de muchos factores: temperatura, presión, tiempo, estratificación, tipo de agua (dulce o salada), acidez, tipos de plantas y tipos de sedimentos.
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RECURSOS NO RENOVABLES
Carbón (cont.)
Clasificación ASTM (American Society for Testing and Materials) D-388
Cuatro clases, ordenadas de mayor a menor por el grado de metamorfismo (rango):
Antracíticos, bituminosos, sub-bituminosos y lignitos
Está constituido por materia volátil, hidrógeno (H), carbono (C) y oxígeno (O).
Las relaciones C/H y (C+H)/O son importantes para determinar sus propiedades de combustión.
Estos datos son representativos del rango del carbón, por lo que también suelen clasificarse por el contenido de carbón en base seca libre de cenizas.
Cuanto mayor es el rango, mayor es el porcentaje de carbono y mayor es la relación (C+H)/O.
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RECURSOS NO RENOVABLES
Carbón (cont.)
Producción mundial (2017): ~7500 Mt (millones de toneladas)
China es el mayor productor mundial (~3300 Mt), seguido por India y Estados Unidos (~700 Mt).
Reservas (2017): ~1000000 Mt
718310 Mt (antracita y bituminosos) y 316702 Mt (lignitos)
Es el mayor recurso fósil disponible y la mayor parte se utiliza como combustible en las centrales de generación eléctrica.
Se emplea en turbinas a vapor (eficiencia ~33% y procesos de tratamiento costosos). En las plantas modernas es pulverizado y luego combustionado en la caldera. Además se utiliza en la producción de hierro y acero, cemento, carbón activado, fibras de carbón, entre otros.
En el futuro inmediato continuará utilizándose en gran escala
Resulta clave utilizar tecnologías limpias CCT (clean carbon technology) como por ejemplo ciclos combinados con gasificación integrada IGCC.
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RECURSOS NO RENOVABLES
Gas natural
Compuesto principalmente (>85%) por metano (CH4).
También contiene otros hidrocarburos mas pesados como etano, propano, butano, pentano y hexano; gases inertes como nitrógeno y dióxido de carbono, hidrógeno, sulfuro de hidrógeno, y gases raros.
El origen más aceptado es el orgánico, aunque existe la teoría inorgánica (combinación de carbono e hidrógeno en las prof.).
El gas natural (y el petróleo) se encuentran acumulados en estructuras geológicas denominadas trampas.
Están contenidos en una roca porosa llamada roca yacimiento, limitada en su parte superior e inferior por una roca no porosa denominada roca sello, que impide que los hidrocarburos escapen.
Los yacimientos donde el principal componente es el gas natural se denominan gasíferos.
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RECURSOS NO RENOVABLES
Gas natural (cont.)
El proceso para la obtención del gas natural comienza con la exploración para localizar el reservorio (geólogos).
Una vez localizado, se perforan pozos exploratorios y se realizan diferentes análisis para determinar las características y estimar el tamaño del reservorio.
Seguidamente se realiza la perforación y se prepara el pozo para la extracción comercial. El gas extraído se procesa antes de transportarlo.
Producción (2017): 3738 bcm/año (1bcm=109 metros cúbicos)
Los mayores productores son Estados Unidos y Rusia (~700 bcm)
Reservas
Probadas (2016): 193500 bcm
Estimadas (2013): 250400 bcm
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RECURSOS NO RENOVABLES
Gas natural (cont.)
Además puede encontrarse en formas no convencionales
Gas natural profundo (> 4.5 km)
Gas de arenas compactas o tight sands gas (tight gas)
Gas de esquistos o shale-gas.
En vetas de carbón o CBM (coal bed methane)
Gas natural geopresurizado
Hidratos de metano
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RECURSOS NO RENOVABLES
Petróleo
Como el gas natural, el origen más aceptado es el orgánico, pero existen varias teorías que postulan el origen inorgánico.
Los yacimientos se encuentran principalmente en cuencas sedimentarias.
Se derivan más de 4000 productos
Muy pocos se usan como combustibles: bencina, naftas, kerosén, gasoil y fuel-oil.
GO y FO se emplean en generación eléctrica.
Producción (2012): 87,7 millones de bbl/día (bbl: barril)
Reservas
Probadas (2012): 1.696.600 millones de bbl.
Probadas y no probadas incluyendo no convencionales (2013): 3.012.000 millones de bbl.
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RECURSOS NO RENOVABLES
Petróleo (cont.)
Recursos no convencionales:
Aceite de esquistos (shale oil)
Arenas alquitranadas (tar sands).
Se prevé que EE.UU. se convierta en el mayor productor mundial de petróleo hacia 2020 y exportador neto hacia 2030
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RECURSOS NO RENOVABLES
Uranio
Metal relativamente común en la corteza terrestre
Se encuentra en rocas y agua de mar.
Concentraciones típicas desde 200000 ppm (Canadá) hasta 0,003 ppm (agua de mar).
Tiene 16 isótopos
El uranio natural contiene 99.3% del isótopo U-238 y 0,7% del U-235.
Las plantas nucleares pueden utilizar uranio natural (poco material fisionable U-235) o uranio enriquecido con U-235 en un 3-4%.
Producción y reservas
Producción (2012): 68000 tn/año
Reservas (2011) con costo de recuperación inferior a USD130/kgU
Probadas: 3,455 x 106 tn
Estimadas: 1,872 x 106 tn
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RECURSOS NO RENOVABLES
Uranio (cont.)
Plantas nucleares existentes y previstas
Fuente: World Nuclear Association
http://www.world-nuclear.org/info/reactors.html
En operación = conectados a la red;
En construcción = concreto para el reactor realizado o restauración mayor en camino;
Planeados = financiamiento aprobado, en operación dentro de 8-10 años;
Propuestos = programas específicos o propuestas de sitio, en operación en 15 años
†2016, * julio 2018, **2017
PaísGeneración † Operativos* En construcción* Planeados* Propuestos* Uranio**
TWh % e No. MWe net No. MWe gross No. MWe gross No. MWe gross ton U
Argentina 6.2 4.5 3 1627 1 27 2 1950 2 1300 195
Brazil 15.7 2.7 2 1896 1 1405 0 0 4 4000 321
China 247.5 3.9 41 38419 17 17718 43 50900 136 154000 8289
France 379.1 71.6 58 63130 1 1750 0 0 0 0 9502
Germany 72.2 11.6 7 9444 0 0 0 0 0 0 1480
India 34.9 3.2 22 6219 7 5400 14 10500 28 32000 843
Japan 29.1 3.6 42 39952 2 2756 9 12947 3 4145 662
Korea (South) 141.1 27.1 24 22505 4 5600 1 1400 6 8800 4730
Russia 187.5 17.8 37 28961 6 4889 25 27135 22 21000 5380
Ukraine 85.6 55.1 15 13107 0 0 2 1900 11 12000 1944
United Kingdom 63.9 19.3 15 8883 0 0 11 15600 2 2300 1772
USA 805.0 20.0 99 99829 2 2500 14 3100 28 30000 18996
WORLD 2519.0 10.6 452 398119 57 61217 152 155682 335 373823 65014
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RECURSOS NO RENOVABLES
Torio
Es más abundante que el uranio en la naturaleza.
Las reservas se estiman en 6 x 106 tn.
No es fisionable pero es un mineral fértil que puede usarse como combustible en conjunto con material fisionable como el plutonio reciclado.
Se pueden convertir en uranio 233 absorbiendo un neutrón y puede usarse como combustible en reactores.
Por el momento sólo se provee uranio a los reactores pero existen experiencias en las que se utilizó torio.
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RECURSOS RENOVABLES
Origen y formas de manifestarse
Gran diferencia en los flujos de energía de cada fuente
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RECURSOS RENOVABLES
Origen y formas de manifestarse
Clasificación que usaremos para ver las particularidades de las diferentes fuentes renovables
Solar
Fotovoltaica
Térmica
Eólica
Hidroeléctrica (minihidro)
De la biomasa
Geotérmica
De los mares
Mareomotriz
De las corrientes marinas
De las olas
Del gradiente térmico (OTEC)
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RECURSOS RENOVABLES
Flujos de energía
No todas las opciones son factibles para un determinado lugar, ni todas se adaptan al mismo uso final.
Es esencial que esté presente una cantidad de energía suficiente, no se puede crear para el lugar específico (ejemplo del biogas…).
Se necesita hacer prospección como con los combustibles fósiles. Se debe monitorear varios años el lugar para tener datos confiables sobre el recurso para estimar la producción.
En general los flujos varían en el tiempo (intermitencia, periodicidad) y se dificulta su adaptación al uso final (también varía en el tiempo)
La energía no utilizada se pierde (a menos que se almacene) y cuando se necesita una mayor cantidad o el recurso no está disponible debe recurrirse a energía almacenada u otra fuente.
El uso de combustibles fósiles se puede adaptar fácilmente a la demanda (despacho de carga).
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RECURSOS RENOVABLES
Calidad de la fuente
Las fuentes renovables se pueden agrupar de acuerdo a la forma de energía producida
Fuentes mecánicas (hidráulica, eólica, olas y mareas)
La energía mecánica generalmente se transforma en electricidad con alta eficiencia.
La cantidad de energía que puede extraerse depende del mecanismo o proceso de conversión utilizado y de la variabilidad del recurso.
Fuentes de calor (termosolar, biomasa, geotérmica)
El calor producido puede usarse directamente (colector solar, combustión de biomasa, bomba de calor)
También puede transformarse en trabajo mecánico (rendimiento limitado por el principio de Carnot) y luego en electricidad.
Procesos de fotoconversión (fotosíntesis, fotoquímicos y fotovoltaicos)
Pueden usarse para almacenar energía solar (biocombustibles) o para convertirla en electricidad (celdas fotovoltaicas).
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RECURSOS RENOVABLES
Generación dispersa vs. centralizada
Diferencias en la densidad de energía
En la transformación inicial, la densidad de energía de las renovables es varios ordenes menor que las no renovables (fósiles y nucleares).
Se requieren muchos dispositivos (generación dispersa) para recolectar una cantidad de energía comparable a las no renovables.
En el uso final, luego de la conversión, transporte y distribución, la energía proveniente de las no renovables es similar a las de las renovables.
En conclusión
Las no renovables se adaptan fácilmente a la generación centralizada y puede resultar costosa o ineficiente la distribución.
Las renovables se aprovechan esencialmente de manera dispersa y resulta costosa su concentración (almacenamiento).
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RECURSOS RENOVABLES
Apareamiento de la fuente con el uso final
En general debe analizarse el sistema de energía completo. El suministro no debe considerarse separadamente del uso final.
Una falla en este sentido conduce a operaciones antieconómicas y pérdidas de energía, es decir sistemas ineficientes.
Ejemplo: producción de agua caliente.
Las inversiones en mejorar la eficiencia y en aplicar métodos de conservación de la energía conducen en el largo plazo a beneficios económicos y medioambientales .
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