Energia Presente y Futuro de Las Diversas Tecnologias

Energa: Pr esen te y futur o d e las diver sas tecn o lo g as

Energa: Presente y futuro de las diversas tecnologas

Flix YndurainDirector

documento de trabajo

ACADEMIA EUROPEA DE CIENCIAS Y ARTESESPAA

Energa: Presente y futuro de las diversas tecnologas

edita: Academia Europea de Ciencias y Artes isbn: 84-609-0435-3 depsito legal: M-30.145-2005 imprime: Sociedad Annima de Fotocomposicin Talisio, 9. 28027 Madrid

ndiceI. II.

Presentacin Introduccin Consumo de energa en el pasado y previsiones para el futuro 1. 2. 3. 4. Algunos datos sobre el consumo de energa. Consumo por fuentes y por regiones Datos histricos y previsiones de futuro Generacin de electricidad Conclusiones Apndices. Comparacin entre diversos estudios de prospectiva Apndices. energtica Apndices. Apndices. III. 1. 2. 3. 4. IV. 1. 2. 3. 4. 5. 6. V. Consumo de energa primaria en algunos pases europeos en el ao 2003

9 11 15 15 17 20 21 22 22 25 27 29 33 37 37 42 44 48 50 50 53 56 60 60 64 72 74 77 77

El medio ambiente Emisiones de gases en la produccin de la energa El efecto invernadero El CO2 y la temperatura de la tierra: el cambio climtico El protocolo de Kyoto (y el de Montreal) y su grado de cumplimiento Introduccin Reservas de petrleo, gas y carbn Tecnologas asociadas a la bsqueda y extraccin de hidrocarburos Combustibles fsiles para la produccin de electricidad y energa trmica Tecnologas limpias de combustin y gasificacin del carbn Consideraciones finales Apndice. 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. Abastecimiento de combustibles fsiles en Europa

Combustibles fsiles

Energa nuclear de fisin Principios de la fisin. Tipos de reactores nucleares Reactores nucleares comerciales en el mundo Reservas de combustible nuclear Los residuos radiactivos. Ciclos del combustible nuclear Separacin y transmutacin: reactores rpidos y Accelerator Driven Systems (ADS) La Generation IV de reactores nucleares Conclusiones Introduccin Porcentaje de produccin elctrica basada en energas renovables en algunos pases Estado actual de las tecnologas de las diversas fuentes energticas renovables: biomasa (biocombustibles slidos y lquidos), elica, fotovoltaica, solar, hidrulica...

VI.

Energas renovables 1. 2. 3.

80 96 97

4. Conclusiones VII. La fusin 1. Principios de la fusin

ndice

7

2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9. VIII. 1. 2. 3. 4. 5. 6. IX.

Fusin por confinamiento magntico: Tokamaks y Stellarators Algunos resultados experimentales relacionados con la investigacin en plasmas para fusin Proyectos en Europa. Dispositivos asociados a EURATOM Fusin por confinamiento inercial Fusin fra y fusin catalizada por muones El proyecto ITER Road map hacia la fusin Consideraciones finales Dependencia del petrleo en el sector transporte Pilas de combustible El hidrgeno Necesidades de I+D en pilas de combustible y produccin de hidrgeno El automvil del futuro Conclusiones

99 101 103 106 107 108 110 111 113 117 118 120 124 128

El problema del transporte. Hidrgeno y pilas de combustible

Programas de I+D y presupuestos en la UE y Estados Unidos. Polticas energticas 1. 2. 3. Presupuestos de los diversos Programas Marco de la UE Presupuesto del Departamento de Energa de Estados Unidos Polticas energticas en diversos pases (China, Francia, Reino Unido, Alemania, Estados Unidos, Japn...). Dependencia energtica del exterior de Europa, Estados Unidos y Japn Conclusiones Introduccin Eficiencia energtica Costes de generacin elctrica Costes externos en la generacin elctrica. Comercio de CO2 Entrada de nuevas tecnologas Conversin entre diversas unidades de Energa 131 134

138 145 147 149 152 154 156 161

4. X. 1. 2. 3. 4. 5. Apndice.

Eficiencia y ahorro. Aspectos econmicos

8

ndice

PresentacinPara los prximos aos se espera un aumento considerable en el consumo mundial de energa, bsicamente por el incremento de la poblacin en el Planeta y, adems, por el acceso a mayores niveles de consumo y bienestar en pases hasta hace poco en vas de desarrollo. Esta circunstancia, ha movido a esta Delegacin Espaola de la Academia a promover esta investigacin en la que, con criterios exclusivamente cientficos y tcnicos, se analiza el estado actual de las diferentes fuentes energticas, y se lleva a cabo una prospeccin de su futuro desarrollo y capacidad para suministrar energa a la Humanidad en las prximas dcadas. La Academia, al hacer pblico el contenido de esta investigacin, manifiesta su deseo de que pueda ser de inters, tanto para cientficos y profesionales como estudiantes universitarios, as como para Instituciones pblicas de investigacin y empresas privadas, sin olvidar a los medios de comunicacin y otros responsables de polticas energticas y de I+D.ACADEMIA EUROPEA DE CIENCIAS Y ARTES ESPAA

presentacin

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CAPTULO I

Introduccin

El hombre, a lo largo de la historia, ha necesitado de energa para su subsistencia y su desarrollo. Al principio de los tiempos, la energa proporcionada por la biomasa era suficiente para las necesidades de calefaccin, tratamiento de alimentos, iluminacin etc., mientras que el transporte era suministrado por animales. La revolucin industrial pudo llevarse a cabo gracias a la incorporacin del carbn, de poder calorfico mayor que la biomasa, para mover mquinas, as como fundir y manejar metales y generar electricidad. De la misma manera, en los aos 50 del siglo XX, el petrleo fue el impulsor del transporte y de la sociedad moderna como la concebimos ahora. Finalmente, la energa nuclear, de mayor densidad energtica que el carbn y el petrleo, contribuy en los aos 80, con una aportacin importante, entre el 20% y el 80% segn los pases, a la produccin de electricidad masiva en los pases ms desarrollados. La tecnologa ha ayudado a mejorar los procesos de utilizacin energtica hacindolos ms fiables, seguros y eficientes. Las fuentes de energa y las tecnologas asociadas para su utilizacin son conocidas desde hace muchos aos; el motor de vapor se conoce desde J. Watt (1769), la batera elctrica desde A. Volta (1798), el generador elctrico desde W. Siemens (1866), las plantas elctricas de carbn desde H. Stinnes (1898), el motor de combustin interna desde C. Benz (1888) y H. Ford (1903), la lmpara elctrica desde T. Edison (1879) etc. La energa elica, la hidrulica etc., son tambin conocidas desde hace muchos aos. La situacin actual de suministro energtico es razonablemente estable, aunque con un aumento sostenido, desde hace varias dcadas, con fluctuaciones debidas esencialmente a los cambios en el precio del petrleo y al aumento del uso del gas. En los prximos aos se espera contine el aumento de consumo de energa en todo el mundo por dos razones principalmente: por un lado, aunque el consumo per cpita en los pases industrializados est disminuyendo por el aumento de la eficiencia energtica, en los pases en desarrollo el consumo de energa per cpita debe aumentar hasta alcanzar el de los pases desarrollados; por otra parte, el simple aumento de la poblacin mundial lleva asociado un aumento del consumo energtico. La poblacin mundial actual es de 6.000 millones de habitantes y se espera que aumente a 9.000 millones a mediados de siglo, aumento debido principalmente a pases en desarrollo como China, India o Brasil, con un rpido crecimiento tanto en poblacin como econmico. Actualmente, los pases industrializados, con un 25% de la poblacin mundial, generan alrededor de 4/5 del producto interior bruto mundial y consumen del orden del 60% del total de energa primaria. En el otro lado, los pases menos industrializados, con un 75% de la poblacin, consumen el 40% de la energa primaria. Aunque es probable que la situacin de las diferentes tecnologas energticas no cambiar drsticamente en los prximos aos, hay dos factores muy importantes que van a condicionar el mercado energtico de una manera significativa y todava incierta: por un lado el suministro de petrleo a los precios actuales, del orden de 30 dlares por barril, no est garantizado en el futuro porenerga: presente y futuro de las diversas tecnologas

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la concentracin de los yacimientos en unas regiones concretas del mundo y por seales de agotamiento de las reservas y, por otro lado, el hecho ya incuestionable de que las emisiones de gases y partculas por el uso de combustibles fsiles (del orden del 80% de la energa primaria consumida en el mundo) est afectando de forma cuantificable al clima y al medio ambiente. El presente trabajo pretende, de una manera objetiva, analizar el estado actual de las distintas tecnologas energticas y realizar una prospeccin de su futuro desarrollo y capacidad de suministrar energa a la humanidad en las prximas dcadas. En el Captulo II se analiza el consumo de las distintas fuentes de energa a lo largo de los ltimos aos y las perspectivas futuras estimadas por diversas agencias. Se analizan diversos pases clave como Estados Unidos, China etc., para entender el conjunto. En el Captulo III se estudia cmo ha cambiado la temperatura de la tierra a lo largo de los siglos y cmo est cambiando en la actualidad debido a factores antropognicos. El principal causante de estos cambios son las emisiones de gases de efecto invernadero por la utilizacin de combustibles fsiles en la produccin de energa. Se analiza el grado de cumplimiento del protocolo de Kyoto. El Captulo IV est dedicado al uso de los combustibles fsiles para la produccin de energa. En primer lugar se analizan las tecnologas relacionadas con la deteccin y extraccin de hidrocarburos, as como las reservas estimadas, notando la dificultad de llegar a un consenso sobre las reservas totales de petrleo. Despus se describen diversas tecnologas de combustin limpia de carbn y en qu grado se difunde en el mercado elctrico. El Captulo V se dedica a la fisin nuclear. Se describe someramente este fenmeno fsico y se describen los diferentes tipos de centrales nucleares que existen en el mundo, as como su distribucin geogrfica sealando las nuevas centrales que se estn construyendo. A continuacin se discute la problemtica de los residuos radiactivos y las vas para mitigar su impacto. Finalmente se describen las opciones de futuros reactores nucleares. Las energas renovables se discuten en el Captulo VI, en el que se analiza cmo evoluciona el peso de las energas renovables en la generacin de electricidad y calor, as como las tecnologas asociadas, especialmente en el caso de la energa solar fotovoltaica y la solar termoelctrica. El Captulo VII se dedica a la fusin termonuclear. Se discute el principio fsico y las condiciones necesarias para que se produzca la fusin de tomos ligeros produciendo energa. Las dos opciones de confinamiento, magntico e inercial, son discutidas. En el caso magntico de discuten los dispositivos para el estudio de plasmas de fusin. Se analiza lo conseguido hasta la fecha para obtener energa de fusin y los pasos necesarios. El roadmap previsto nos indica lo lejos que estamos de tener energa de fusin en trminos comerciales. Se presenta el Proyecto ITER y los resultados que se esperan de tal instalacin. El transporte, incluidas las pilas de combustible, y el hidrgeno como almacenamiento de energa, se tratan en el Captulo VIII, en el que se hace nfasis en la dificultad de sustituir el petrleo en el transporte y las necesidades de investigacin bsica para obtener hidrgeno y la optimizacin de las pilas de combustible. Tambin se analiza cmo evoluciona tecnolgicamente el sector de automocin. En el Captulo IX se discuten las polticas energticas de diversos pases y sus fuentes de energa. Tambin se discuten los diversos programas de I+D. Finalmente, el captulo X trata de los aspectos econmicos relacionados con la energa. Se analiza la correlacin entre la generacin de riqueza y el pre12energa: presente y futuro de las diversas tecnologas

cio de la energa, en particular del petrleo. Se recogen las distintas tecnologas para aumentar la eficiencia para producir electricidad. Los costes para la produccin de electricidad son desglosados y se discuten los costes medioambientales como las emisiones de dixido de carbono y otros gases de efecto invernadero y los llamados costes externos.

energa: presente y futuro de las diversas tecnologas

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CAPTULO II

Consumo de energa en el pasado y previsiones para el futuro

1.

Algunos datos sobre el consumo de energa. Consumo por fuentes y por regiones

Durante las ltimas dcadas el consumo de energa primaria en el mundo ha aumentado de una forma sostenida (del orden del 14% en la ltima dcada), como se indica en la Tabla II.1 adjunta. Este aumento se debe principalmente al incremento de la poblacin mundial, as como al desarrollo industrial y a la mejora de las condiciones de vida de los pases en vas de desarrollo que va ligado a un aumento del consumo de energa (ver captulo X). Las fuentes de energa primaria son esencialmente: los combustibles fsiles, la energa nuclear de fisin y las energas renovables. Estas fuentes de energa suministran electricidad, transporte, energa necesaria para procesos industriales y acondicionamiento trmico a las viviendas. Del orden del 40% para producir electricidad, el 24% el sector del transporte, el 22% en la industria y sector de la construccin y manufacturero y el 14% en calefaccin domstica. El uso de todas las fuentes ha aumentado, entre las que destaca especialmente en los ltimos aos el aumento del gas natural. El crecimiento de la generacin de electricidad basada en energa nuclear se debe ms a un aumento de la eficiencia de las plantas existentes en el mundo occidental que a la construccin de nuevas plantas comerciales. Las nuevas plantas se estn construyendo principalmente en el Este asitico (ver captulo V). El ritmo del aumento de fuentes renovables es del mismo orden que el total de las fuentes, a pesar de diversos programas nacionales para fomentar su desarrollo y uso. Aunque no haremos un anlisis detallado, que se puede encontrar en las diversas bases de datos citadas en la bibliografa, hay que indicar que este aumento de consumo energtico es principalmente debido al crecimiento de los pases en vas de desarrollo, ya que los pases ms industrializados estn aumentando su eficiencia energtica y, en algunos casos, como en Alemania, incluso han disminuido su consumo de energa primaria. Finalmente, hay que destacar que del orden del 80% de la energa primaria consumida en el mundo es de origen fsil y por lo tanto de recursos limitados. Por otra parte, hay que resaltar una vez ms que la produccin de energa a partir del carbono y los hidrocarburos produce emisiones de gases de efecto invernadero (principalmente CO2) que afectan al cambio climtico que se est produciendo en el planeta. La mitad del CO2 generado por la utilizacin de los combustibles fsiles, en las condiciones actuales, permanece en la atmsfera un centenar de aos.energa: presente y futuro de las diversas tecnologas

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La siguiente tabla aporta los datos del consumo de energa primaria en el mundo en el decenio 1992-2002.

Tabla II.1 Consumo mundial de energa primaria en millones de toneladas equivalentes de petrleo (Mtoe)Ao Fuente 1992 1993 1994 1995 1996 1997 1998 1999 2000 2001 2002

Carbn Petrleo Gas Nuclear Renovables

2.203 3.170 1.836 478 510

2.201 3.140 1.868 495 538

2.219 3.199 1.876 504 541

2.290 3.245 1.937 526 570

2.341 3.321 2.030 545 580

2.351 3.395 2.023 541 589

2.269 3.412 2.058 551 595

2.137 3.480 2.107 571 601

2.174 3.517 2.199 585 617

2.243 3.517 2.219 601 585

2.398 3.523 2.282 611 591

Total

8.197

8.242

8.339

8.568

8.817

8.899

8.885

8.896

9.092

9.165

9.405

Fuente: BP Statistical Review of World Energy. June 2003.

Es interesante indicar que la distribucin entre las diversas fuentes no ha cambiado significativamente y es previsible que no cambie en un futuro cercano. De manera que, en el ao 2002, la distribucin porcentual de consumo en el mundo de energa primaria entre las diversas fuentes es: Petrleo 37%, Gas Natural 24%, Carbn 25%, Nuclear 6% y Energas Renovables 8%. Sin embargo, el parque energtico de los diversos pases es muy diferente. Aqu indicamos, en datos de 2003, la distribucin en algunos pases significativos por su peso en el mbito mundial (caso de los Estados Unidos de Amrica), como otros por su peso especfico y capacidad de crecimiento, como India y China, con una poblacin de 1.100 y 1.300 millones habitantes respectivamente y un crecimiento anual del producto interior bruto del 7 y el 8% respectivamente. De la misma manera, hemos indicado el consumo de energa per cpita, que nos indica grandes diferencias entre los diversos pases: el consumo de energa per cpita en Estados Unidos es diez veces el consumo en China. Si China tuviera un consumo de energa per cpita similar al de los pases desarrollados, su consumo de energa global sera ms del doble del de Estados Unidos. No hay que olvidar que la India y China representan el cuarenta por ciento de la poblacin mundial. Es tambin interesante indicar la contribucin de la energa nuclear en Francia, que representa casi el 40% del total, y el enorme peso del carbn en China e India, que alcanza el 68% y el 54% del consumo total respectivamente,

Tabla II.2 Consumo de energa primaria en algunos pases en el ao 2003 (Mtoe)Petrleo Gas natural Carbn Nuclear Hidrulica Total Per cpita (toe) PIB(k$)/ cpita

USA China Japn India Alemania Francia Reino Unido Brasil TOTAL

914,3 275,2 248,7 113,3 125,1 94,2 76,8 84,1 3.636

566,8 29,5 68,9 27,1 77,0 39,4 85,7 14,3 2.332

573,9 799,7 112,2 185,3 87,1 12,4 39,1 11,0 2.578

181,9 9,8 52,2 4,1 37,3 99,8 20,1 3,0 599

60,9 64,0 22,8 15,6 5,7 14,8 1,3 68,9 595

2.297,8 1.178,3 504,8 345,3 332,2 260,6 223,2 181,4 5.323,6

8,07 0,78 3,99 0,31 3,99 4,36 3,69 1,03

37,08 1,03 33,07 0,51 28,79 23,91 25,85 2,59

Fuente: BP Statistical Review of World Energy June 2004.

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Tabla II.3 Porcentaje del consumo de energa primaria en algunos pases en el 2003Petrleo Gas natural Carbn Nuclear Hidrulica Total

USA China Japn India Alemania Francia Reino Unido Brasil

39,79 23,36 49,27 32,81 37,66 36,15 34,41 46,36

24,67 2,50 13,65 7,85 23,18 15,12 38,40 7,88

24,98 67,87 22,23 53,66 26,22 4,76 17,52 6,06

7,92 0,83 10,34 1,19 11,23 38,30 9,01 1,65

2,65 5,43 4,52 4,52 1,72 5,68 0,58 37,98

100 100 100 100 100 100 100 100

ya que sus reservas les permiten a estos pases ser autosuficientes en el suministro domstico de carbn (ver el Captulo IX). Es relevante ver (Figura II.1) la evolucin del consumo de energa per cpita de algunos pases del Este comparados con Estados Unidos. Mientras que Corea y Taiwan consumen como Japn, China est todava muy lejos.

Figura II.1 Evolucin del consumo de energa per cpita en algunos pases

Esta Figura II.1 nos muestra dos cosas: por una parte, lo indicado ms arriba de que los pases en desarrollo alcanzan el nivel de los ms desarrollados basndose en un consumo mayor de energa y, por otra parte, que se puede alcanzar un nivel de desarrollo como el de Japn sin necesidad de los consumos energticos de Estados Unidos (ver Captulo X).

2.

Datos histricos y previsiones de futuro

Hay diversos estudios sobre la contribucin futura de las distintas fuentes de energa al consumo de energa total. Estos trabajos se basan en un crecimiento de la poblacin mundial del orden del 1% por ao acompaado de un crecienerga: presente y futuro de las diversas tecnologas

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miento econmico del orden del 3% lo que, al incorporarse al consumo masivo pases en desarrollo como China e India y, en menor medida Brasil, dara lugar a un crecimiento del consumo de energa de algo menos del 2% anual. La previsin de la Comisin Europea contenida en su documento World Energy, Technology and Climate Policy Outlook, 2003 (WETO) se indica en la Tabla II.4 adjunta.

Tabla II.4 Produccin mundial de energa primaria (Mtoe)Ao Fuente 1990 2000 2010 2020 2030

Carbn Petrleo Gas Natural Nuclear Hidrulica Biomasa y residuos Otras renovables Total

1.901 3.258 1.754 509 193 904 11 8.530

2.389 3.517 2.129 663 238 1.002 15 9.953

2.931 4.250 2.860 799 290 949 30 12.110

3.723 5.099 3.693 792 342 908 54 14.611

4.757 5.878 4.340 872 392 900 73 17.213

Fuente: World energy, technology and climate policy outlook, 2003. WETO. European Comission. EUR 20366

El escenario de referencia, de carcter continuista, para llegar a estos datos es como sigue: Se espera que la produccin de petrleo aumente en un 65% para llegar a una produccin de 120 millones de barriles por da en el ao 2030. Los pases de la OPEP produciran el 60 % del total en el ao 2030, frente al actual 40%. La produccin de gas natural se doblar en el ao 2030, lo mismo que la de carbn. La energa nuclear no aumenta significativamente, acaso disminuye por el cierre de centrales por el fin del ciclo de vida, a la vez que se construyen nuevas centrales comerciales en Asia (Corea, India, etc.). La produccin de electricidad aumenta en un 3% anual, aumento que se conseguir con tecnologas de los aos 80, como ciclo combinado, tecnologas avanzadas de carbn limpio y energas renovables, especialmente energa elica. En cualquier caso, la contribucin de los combustibles fsiles al total de la produccin de energa continuar siendo del orden del 85%. Otros escenarios argumentan de manera parecida con resultados similares. La comparacin de diversos estudios est contenida en el Apndice a este Captulo. El consumo mundial de energa y la proyeccin para los prximos veinte aos segn el International Energy Outlook 2004 de la Energy Information Administration de Estados Unidos, se indican en la Figura II.2. Las previsiones anteriores alcanzan hasta los aos 2020-2030. Aunque no se ha comentado (se har en el captulo dedicado a los combustibles fsiles), se puede estimar que las reservas de petrleo convencional, esto es, petrleo extrable con las tecnologas y costes actuales, podran suministrar crudo aproximadamente cuarenta aos ms, por lo que se prev el fin del petrleo barato en la prxima dcada. De la misma manera, las reservas de gas natural convencional duraran unos setenta aos y las de carbn varios centenares. Por lo tanto, si toda previsin es aventurada, ms lo es a partir de 20-30 aos cuando el panorama energtico cambiar de manera importante por la evolucin mencionada18energa: presente y futuro de las diversas tecnologas

Figura II.2 Consumo de energa y previsiones de futuro

Fuentes: Histrico: Energy Information Administration (EIA). Proyecciones: EIA. Systems for the Analysis of Global Energy Markets (2003).

de los combustibles fsiles y el cierre de centrales nucleares por el fin de su vida til. En este sentido es ilustrativo comparar algunas previsiones. Mientras que lo anterior basa el crecimiento de la generacin de energa primaria en los combustibles fsiles, otras previsiones (Shell), lo basan, a partir del ao 2030, en las energas renovables. Ver Figura II.3.

Figura II.3 Fuentes de energa para un desarrollo sostenible. 1860-2100

Fuente: Shell Planning.


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Ms que la distribucin futura entre las distintas fuentes, lo que s es relevante de esta previsin es la necesidad del desarrollo de nuevas tecnologas, que adems debern ser respetuosas con el medio ambiente. Por otra parte, como se indica en la figura, se esperan pocas sorpresas en relacin a nuevas fuentes de energa.

3.

Generacin de electricidad

A continuacin se muestran los datos del International Energy Outlook de 2003, en lo que se refiere al consumo de energa para la produccin de electricidad. El estudio se divide entre pases industrializados, Europa del Este y antigua Unin Sovitica (EE/FSU) y pases en desarrollo. Entre los puntos que destacar indicaremos el estancamiento del petrleo y la energa nuclear, as como el importante aumento del carbn y el gas natural, aquel sobre todo en los pases en desarrollo. Las energas renovables difcilmente contribuirn ms all del 20%. Los datos se recogen en las Tablas II.5 a II.8.

Tabla II.5 Consumo mundial de Energa para la Generacin de Electricidad desglosado por regin y combustible 2000-2025 (1015 Btu)Histrico Regin y combustible 2000 2001 2005 2010 2015 2020 2025 Proyecciones

Industrializados Petrleo Gas Natural Carbn Nuclear Renovables EE/FSU Petrleo Gas Natural Carbn Nuclear Renovables En desarrollo Petrleo Gas Natural Carbn Nuclear Renovables Total Mundial Petrleo Gas Natural Carbn Nuclear Renovables

89,0 5,0 14,3 30,5 22,6 16,5 23,2 1,5 7,9 6,3 4,3 3,2 39,8 5,0 6,3 14,4 2,6 11,4 151,9 11,6 28,4 51,2 29,5 31,1

89,6 4,9 14,7 30,9 22,4 16,7 22,6 1,3 8,0 6,0 4,1 3,2 41,2 5,3 6,5 15,1 2,7 11,7 153,4 11,5 29,2 52,0 29,1 31,6

92,1 4,5 16,6 32,3 21,6 17,2 20,6 0,4 8,5 4,9 3,2 3,6 47,0 6,2 7,2 18,1 2,7 12,8 159,7 11,1 32,3 55,2 27,5 33,5

99,9 4,6 19,4 34,8 22,3 18,9 22,8 0,5 9,5 4,1 3,3 5,5 55,0 6,0 9,8 21,4 3,1 14,6 177,7 11,1 38,7 60,3 28,7 38,9

106,4 5,0 23,5 35,4 22,4 20,0 25,3 0,9 12,0 3,6 3,3 5,6 64,1 6,8 13,4 23,8 4,2 15,9 195,7 12,7 48,8 62,9 29,8 41,5

113,3 5,2 28,4 36,1 21,9 21,7 26,3 1,2 13,7 2,7 3,0 5,7 74,1 7,6 16,7 28,3 4,5 17,0 213,7 14,0 58,9 67,1 29,4 44,4

120,1 5,5 33,5 37,7 20,4 23,0 27,0 0,8 16,1 1,6 2,6 5,8 85,0 8,2 21,0 32,7 5,0 18,0 232,0 14,5 70,6 72,0 28,0 46,9

Nota: EE/FSU = Eastern Europe and the former Soviet Union. Fuentes: Histrico: International Energy Agency, Energy Statistics of OECD Countries 1999-2000 (Paris, France, 2002), and Energy Statistics of Non-OECD Countries (Paris, France, 2002). Proyecciones: EIA, System for the Analysis of Global Energy Markets (2003).

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Tabla II.6 Generacin de electricidad en el mundo 1971-2020 (TWh)1971 1995 2010 2020

Combustibles Slidos Petrleo Gas Natural Nuclear Hidrulica Otros Total

2.131 (41%) 1.100 (21%) 691 (13%) 111 (2%) 1.209 (23%) 5 5.248

5.077 (38%) 1.315 (10%) 1.932 (15%) 2.332 (18%) 2.498 (19%) 49 13.204

7.960 1.663 5.063 2.568 3.445 154 20.852

(38%) (8%) (24%) (12%) (17%) (1%)

10.490 1.941 8.243 2.317 4.096 239 27.326

(38%) (7%) (30%) (9%) (15%) (1%)

Fuente: World Energy Outlook. International Energy Agency.

Tabla II.7 Origen de la Generacin mundial de Electricidad (Twh)1990 2000 2010 2020 2030

Carbn convencional y lignito Tecnologas avanzadas de carbn Gas Biomasa Nuclear Hidrulica Solar Elica Mini hidrulica Ciclo Combinado Total

4.412 0 1.688 132 2.013 2.246 1 4 120 519 11.945

5.516 0 2.418 197 2.622 2.771 2 23 149 586 14.865

5.532 1.582 4.054 260 3.161 3.371 24 117 203 1.055 19.339

5.154 5.573 6.209 335 3.137 3.971 44 342 245 1.510 26.122

4.325 11.331 8.542 423 3.498 4.562 51 544 258 1.568 34.716

Fuente: World energy, technology and climate policy outlook, 2003 European Commission. EUR 20366.

Tabla II.8 Generacin mundial de Electricidad por regiones, 1990-2025 (Twh)Ao 1990 2000 2001 2005 2010 2015 2020 2025

Estados Unidos Europa Japn China India Total Mundial

2.827 2.069 765 551 257

3.605 2.487 944 1.189 477

3.602 2.540 964 1.312 497

3.684 2.664 989 1.545 528

4.101 2.902 1.073 1.966 662

4.481 3.156 1.154 2.428 802

4.850 3.438 1.229 2.986 958

5.252 3.708 1.302 3.596 1.104

10.546 13.629 13.934 14.960 17.144 19.482 22.009 24.673

Fuente: International Energy Outlook 2003.

4.

Conclusiones

El consumo de energa en el pasado y las previsiones para el futuro indican que del orden del 80% de la energa que consumimos es de origen fsil y, por lo tanto, agotable y generadora de CO2 y de otros gases causantes del efecto invernadero. En los prximos aos, el consumo de energa en el mbito mundial va a aumentar a un ritmo del orden del 2% anual, principalmente por la incorporacin al mundo industrializado de pases como China y la India, que con una poblacin del orden del 40% mundial y un crecimiento importante de su ecoenerga: presente y futuro de las diversas tecnologas

21

noma, tienen todava un consumo energtico per cpita muy inferior al de los pases industrializados hacia los que convergen, as como un sistema muy ineficiente desde el punto de vista de la energa. La compatibilidad de este crecimiento con el carcter finito de las fuentes y la necesidad del respeto medioambiental son los retos tecnolgicos y sociales a los que se enfrenta nuestra sociedad en un futuro cercano. Como se ha indicado, no es previsible la aparicin de nuevas fuentes de energa, mientras que las tecnologas de su aprovechamiento s estn cambiando y se optimiza la eficiencia de los procesos tanto desde el punto de vista de rendimiento como de disminucin de emisiones y generacin de residuos.

ApndiceComparacin de distintos estudios de prospeccin (WETO, Department of Energy (DOE), International Energy Agency (IEA), World Energy Council (WEC)).

Poblacin mundial total (millones de personas)Agencia/ao 2000 2010 2020 2030

WETO DOE IEA WEC

6.102

6.855 6.882 6.807 6.974

7.558 7.642 7.594 7.834

8.164

8.657

Producto bruto mundial (109 1999)Agencia/ao 2000 2010 2020 2030

WETO DOE IEA WEC

41.407

58.350 56.565 56.191 54.240

79.400 78.462 76.252 70.016

102.788

91.088

Consumo mundial de energa primaria (Mtoe)Agencia/ao 2000 2010 2020 2030

WETO DOE IEA WEC

9.927

12.062 12.512 12.054 11.915

14.536 15.532 14.396 14.250

17.100

17.064

Consumo mundial de carbn (Mtoe)Agencia/ao 2000 2010 2020 2030

WETO DOE IEA WEC

2.389

2.931 2.878 2.837 2.949

3.723 3.340 3.370 3.707

4.757

4.616

22


Consumo mundial de petrleo (Mtoe)Agencia/ao 2000 2010 2020 2030

WETO DOE IEA WEC

3.517

4.250 4.407 4.293 4.057

5.099 5.445 5.139 4.470

5.878

4.846

Consumo mundial de gas (Mtoe)Agencia/ao 2000 2010 2020 2030

WETO DOE IEA WEC

2.129

2.860 2.916 2.797 2.784

3.693 3.965 3.646 3.434

4.340

4.193

Consumo mundial de energa de origen nuclear (Mtoe)Agencia/ao 2000 2010 2020 2030

WETO DOE IEA WEC

663

799 717 716 699

792 732 641 776

872

920

Consumo mundial de energa de origen renovable (Mtoe)Agencia/ao 2000 2010 2020 2030

WETO IEA WEC

171

250 230 242

319 298 412

318 652

Consumo de energa primaria en algunos pases europeos ao 2003 (Mtoe)Petrleo Gas natural Carbn Nuclear Hidrulica Total Per cpita (toe) PIB(k$)/ cpita

Alemania Austria Espaa Francia Italia Noruega Polonia Reino Unido Suecia TOTAL Mundial Estados Unidos* India*

125,1 14,3 75,5 94,2 92,1 9,6 20,5 76,8 15,8

77,0 7,7 21,5 39,4 64,5 3,9 11,3 85,7 0,7

87,1 3,0 20,6 12,4 15,3 0,5 58,8 39,1 2,2

37,3 0 14,0 99,8 0 0 0 20,1 15,5

5,7 6,9 9,9 14,8 10,0 24,0 0,7 1,3 12,1

332,2 31,9 141,5 260,6 181,9 38,0 91,3 223,2 46,4

(3,41%) (0,33%) (1,45%) (2,68%) (1,86%) (0,39%) (0,94%) (2,29%) (0,48%)

3,99 3,89 3,51 4,36 3,13 8,54 2,37 3,69 5,15 8,07 0,31

28,79 31,34 20,63 23,91 25,57 5,39 5,44 25,85 33,66 37,08 0,51

9.741,1 (100%)

* Se incluyen como referencia. Fuente: BP Statistical Review of World Energy. June 2004 y elaboracin propia.


23

Porcentaje del consumo de energa primaria en algunos pases europeos en 2003Petrleo Gas natural Carbn Nuclear Hidrulica Total

Alemania Austria Espaa Francia Italia Noruega Polonia Reino Unido Suecia

37,66 44,83 53,36 36,15 50,63 25,26 22,45 34,41 34,05

23,18 24,14 15,19 15,12 35,46 10,26 12,38 38,40 1,51

26,22 9,40 14,56 4,76 8,41 1,32 64,40 17,52 4,74

11,23 0,00 9,89 38,30 0,00 0,00 0,00 9,01 33,41

1,72 21,63 7,00 5,68 5,50 63,16 0,77 0,58 26,08

100,00 100,00 100,00 100,00 100,00 100,00 100,00 100,00 100,00

BibliografaBP Statistical Review of World Energy June 2004. http://www.bp.com Department of Energy (DOE) Energy Information Administration (Department of Energy). http://www.eia.doe.gov/ International Energy Outlook 2004. http://www.worldenergyoutlook.org World Energy Council (WEC) World Energy, Technology and Climate Policy Outlook, 2003. WETO. European Commission. EUR 20366

24


CAPTULO III

El medio ambiente

1.

Emisiones de gases en la produccin de la energa

La produccin y uso de la energa por el hombre produce diversos residuos que, de una manera u otra, afectan al medio ambiente en que se desenvuelve la humanidad. Aparte de los residuos nucleares que se tratan en captulo aparte, los contaminantes ms nocivos se producen por el uso de los combustibles fsiles que, como se ha indicado en el captulo anterior, representan un porcentaje muy alto del consumo total de energa. De entre los contaminantes que se emiten por el uso de los combustibles fsiles, los ms importantes son los llamados gases de efecto invernadero, como el dixido de carbono (CO2), el metano (CH4), el xido de azufre (SO2), los xidos de nitrgeno (NOX) etc. Dems de estos gases, la actividad humana, no solo la produccin de energa, genera otros gases como los hidrofluorcarbonos (HFC), los perfluorcarbonos (PCF) y el hexafluoruro de azufre (SF6). Estos gases son mucho ms dainos desde el punto de vista de absorcin del calor que los anteriores y son ms persistentes en la atmsfera; as, mientras el CO2 tiene una permanencia de unos cien aos, la de los PCF es de unos mil aos. La capacidad de los diversos gases de absorber calor y por lo tanto de contribuir al efecto invernadero es diferente, y son los ms activos los HFC y PCF. El metano retiene 25 veces ms calor por molcula que el CO2 mientras que el xido ntrico absorbe 230 veces ms que el dixido de carbono. Afortunadamente, estos gases son mucho menos abundantes que el CO2. Los clculos estimados de emisiones y concentraciones de gases de efecto invernadero se suelen presentar en unidades de toneladas equivalentes de carbn, ponderando cada gas con su Global Warming Potential (GWP). Adems de los gases anteriores, los compuestos clorofluorcarbonados (CFC), aunque no producidos por la generacin de energa, s estn producidos por la actividad humana y tienen una capacidad 15.000 veces mayor que el CO2 de absorber energa. En la Tabla III.1 se recogen los datos de las emisiones mundiales de CO2 a la atmsfera durante los ltimos veinte aos. Como se ve en la Tabla, las emisiones de gases de efecto invernadero han aumentado a un ritmo anual de un 1,2%, mientras que el consumo de energa creci en el mismo periodo a un ritmo de un 1,7% y el producto interior bruto lo hizo a un ritmo del 3,0% en el mundo, teniendo en cuenta correcciones debidas a la inflacin. Durante este periodo de aos, la poblacin mundial creci a un ritmo de 1,6% por lo que podemos concluir que, mientras el consumo de energa per cpita ha aumentado ligeramente, las emisiones per cpita de gases de efecto invernadero han disminuido. Este menor aumento de las emisiones, comparado con el aumento de riqueza, est relacionado con un aumento de laenerga: presente y futuro de las diversas tecnologas

25

Tabla III.1 Emisiones mundiales de CO2 (millones de toneladas equivalentes)Ao Emisiones

1980 1985 1990 1995 1996 1997 1998 1999 2000 2001 2002

18.636 19.627 21.638 22.107 22.575 22.893 22.824 23.137 23.891 24.228 24.532

eficiencia energtica y con la introduccin de fuentes de energa como las renovables y la nuclear, no productoras de gases de efecto invernadero, as como la substitucin del carbn y el fuelleo por el gas para producir electricidad. No hay que olvidar que una central elctrica de 930 MW con una produccin de 6150 GWh/ao si est alimentada por carbn emite al ao 5.400.000 toneladas de CO2, mientras que una de fuelleo emite 4.800.000 y una de gas 2.400.000. En la Tabla III.2 se recogen las emisiones anuales de carbn de algunos pases. En primer lugar, destacan las mayores emisiones de los pases industrializados frente al de los pases no industrializados, como corresponde a un menor consumo energtico. De entre los pases industrializados, destaca Estados Unidos, que emite per cpita el doble que pases como Alemania, Japn etc. Finalmente se debe indicar cmo la opcin francesa por la energa nuclear en la generacin elctrica se refleja en una menor tasa de emisiones de CO2 per cpita.

Tabla III.2 Emisiones anuales (ao 2001) de carbn producidas por el uso de combustibles fsiles en algunos pasesEmisiones de carbn producidas por el consumo de energa (Mton. de carbn) Emisiones de carbn per cpita y ao (toneladas de carbn)

Pas

Estados Unidos China Japn Alemania Reino Unido Francia BrasilFuente: EIA.

1565,0 831,7 315 223,2 147,8 108,1 95,8

5,5 0,65 8 2,7 2,5 1,8 0,56

Las previsiones de emisiones de CO2 a la atmsfera no son optimistas. Informes del Departamento de Energa de Estados Unidos (DOE), la Agencia Internacional de la Energa (IEA), el World Energy Council (WEC) y la Comisin Europea (EU) prevn un aumento anual de las emisiones del orden del 2% durante las tres prximas dcadas, con unas emisiones anuales cercanas a los 40 millones de toneladas.26energa: presente y futuro de las diversas tecnologas

Una opcin relacionada con la disminucin de la concentracin de CO2 en la atmsfera es el llamado secuestro del gas. Se han considerado diversas opciones (algunas ya se han aplicado a modo de demostracin), como el almacenamiento en yacimientos vacos de petrleo o gas y en minas de carbn y sal. Otra opcin sera el almacenamiento en el fondo del mar en forma lquida o formando hidratos. La viabilidad econmica y los impactos medioambientales de estas opciones estn por determinar. Por otra parte, como en muchos casos de tratamiento de residuos, un problema por resolver es la separacin del monxido de carbono de los otros gases sin disminuir significativamente el rendimiento energtico. Las tecnologas de las membranas deben desempear un papel importante, en particular en el caso de limpieza en caliente en el que las membranas inorgnicas parecen ms apropiadas, mientras que las membranas polimricas operan como separadoras de gases a bajas temperaturas (del orden de 200.C). Para ms detalles, ver el Captulo X.

2.

El efecto invernadero

La radiacin solar que llega a la Tierra est formada mayoritariamente por radiacin en la parte visible del espectro y en el infrarrojo cercano, siendo la parte ultravioleta minoritaria. De la energa que llega a la Tierra en forma de radiacin electromagntica, un 26% aproximadamente es devuelta de modo directo al espacio por reflexin en la atmsfera. Del orden del 19% es absorbido por las nubes, gases y partculas de la atmsfera. El 55% restante atraviesa la atmsfera y alcanza la superficie de la Tierra, del cual un 4% es reflejado por la superficie terrestre. El 51% restante es responsable del calentamiento de la Tierra, la evaporacin de agua, la fotosntesis de las plantas etc. La superficie de la Tierra al calentarse, emite a su vez radiacin electromagntica de longitud de onda larga, esto es, en el infrarrojo. La mayor parte de esta radiacin emitida la absorben los gases presentes en la atmsfera. Las molculas de estos gases se excitan por el efecto de la radiacin absorbida, y a su vez emiten radiacin que absorbe la superficie terrestre. Este es el llamado efecto invernadero, que permite tener en la tierra una temperatura templada que, sin este efecto, sera del orden de los -18 grados centgrados. El efecto invernadero es debido a la diferente longitud de onda de la radiacin incidente, para la que la atmsfera es esencialmente transparente (refleja el 26%), y la radiacin emitida por la Tierra al calentarse, para la que la atmsfera acta como una barrera y no la deja escapar. Los gases de efecto invernadero existen en la naturaleza de forma natural y desde mucho antes de la actividad humana. Si el balance entre radiacin absorbida y emitida se rompe por una variacin significativa del efecto de barrera de la atmsfera, el equilibrio puede romperse y la temperatura puede variar de forma apreciable. La variacin de la temperatura, a su vez, induce diversos cambios en el clima. Un concepto importante relacionado con los gases de efecto invernadero es el llamado forzamiento radiativo (Radiative Forcing), que indica el cambio en el balance entre la radiacin que llega a la atmsfera y la radiacin que sale de ella. Un forzamiento radiativo positivo indica un aumento de temperatura de la superficie de la Tierra y un forzamiento negativo un enfriamiento. En la Figura III.1 se indica la variacin en la concentracin de tres gases de efecto invernadero a lo largo del ltimo milenio. De la misma manera, se indica el forzaenerga: presente y futuro de las diversas tecnologas

27

miento radiativo debido al aumento de la concentracin de esos gases en los ltimos aos. Como se ve en la Figura, aunque la capacidad del metano y el xido de nitrgeno para captar radiacin electromagntica es mayor que la del dixido de carbono, sus menores concentraciones en la atmsfera hace que el forzamiento radiativo del CO2 sea el ms importante, contribuyendo en un 75%, mientras que el metano contribuye con un 13% y el xido de nitrgeno en un 6%. Los compuestos CFC contribuyen en un 5%. Anlogamente, en la Figura III.2 indicamos la variacin de la concentracin de CO2 en los ltimos cincuenta aos en el observatorio de Mauna Loa, en mitad del ocano Pacfico, lejos de los lugares donde se han producido las emisiones.

Figura III.1 Concentracin y forzamiento radiativo de monxido de carbono, metano y xido de nitrgeno

Fuente: Climate Change 2001: The Scientific Basis. Contribution of Working Group I to the Third Assessment Report of the Intergovernmental Panel on Climate Change Published for IPCC. Cambridge University Press. 2001.

Para acabar esta seccin incluimos los resultados ms relevantes del Group I del Intergovernmental Panel on Climate Change (IPCC), aprobado por el Member Governments en Shanghai en enero 2001: La concentracin de CO2 en la atmsfera ha aumentado en un 31% desde el ao 1750. La actual concentracin nunca se ha alcanzado en los pasados 420.000 aos.28energa: presente y futuro de las diversas tecnologas

Figura III.2 Concentracin atmosfrica de monxido de carbono en Mauna Loa

Alrededor de tres cuartos de las emisiones de CO2 causadas por el hombre durante los ltimos veinte aos son debidas a los combustibles fsiles. El resto se origina principalmente por los cambios en el uso del suelo y especialmente por la deforestacin. El ritmo de aumento de la concentracin de CO2 atmosfrico ha sido de alrededor de 1,5 ppm (0,4%) por ao a lo largo de las dos ltimas dcadas. La concentracin atmosfrica de CH4 ha aumentado en 1.060 ppb (151%) desde 1750 y contina aumentando. Es la mayor de los ltimos 420.000 aos. Ms de la mitad de las emisiones de CH4 a la atmsfera son debidas al hombre. La concentracin atmosfrica de N2O ha aumentado en 46 ppb (17%) desde 1750 y contina aumentando. Se considera que un tercio de las emisiones de N2O son debidas al hombre.

3.

El CO2 y la temperatura de la tierra: el cambio climtico

La correlacin entre la temperatura terrestre y la composicin atmosfrica, especialmente la concentracin de monxido de carbono, se ha establecido desde hace bastantes aos estudiando la composicin de burbujas de aire atrapadas en los hielos polares y estudiando sedimentos tanto en tierra como en el fondo del mar. Por tanto, hay una gran correlacin (Ver Figura III.3) entre la concentracin de CO2 y la temperatura de la Tierra que, a su vez, ha condicionado el clima del planeta. Los ciclos en la temperatura de la Tierra parecen estar producidos por pequeos cambios en la insolacin de esta debidos a variaciones peridicas de la rbita terrestre.energa: presente y futuro de las diversas tecnologas

29

Figura III.3 Temperatura y concentracin de CO2 en la atmsfera en los ltimos 400.000 aos. Datos obtenidos en los hielos de Vostok

Fuente: Petit J. R. et al. Nature 399, 429 (1999).

Datos ms recientes indican un aumento abrupto de la temperatura (ver Figuras III.4 y III.5), que pueden correlacionarse con los aumentos de las concentraciones de gases de efecto invernadero recogidos en la Figura III.1.

Figura III.4 Temperatura terrestre en el hemisferio norte en los ltimos 1.000 aos

Fuente: Intergovernmental Panel on Climate Change (IPCC).

30


Figura III.5 Cambio en la temperatura media en la superficie respecto a 1961-19900.8

0.6

0.4

An-TT-HN(C)

0.2

0

-0.2

-0.4

TT-HN 10 per. media mvil (TT-HN)

-0.6

-0.8

1971

1991

1861

1871

1881

1891

1901

1921

1931

1941

1951

1961

1981

1976

1906

1856

1866

1876

1886

1896

1916

Aos

El cambio de temperatura en los ltimos aos no tiene precedente en la historia de nuestro planeta, como no lo tienen las concentraciones de gases de efecto invernadero. Parece concluirse que los cambios en las temperaturas estn ocasionados por el aumento de gases de efecto invernadero que, a su vez, estn producidos por la actividad humana, especialmente por la utilizacin de combustibles fsiles como suministradores de energa. Se puede utilizar una simulacin climtica para remedar los cambios de temperatura debidos a factores naturales y antropognicos. Los resultados de estas simulaciones se presentan en la Figura III.6. Las simulaciones representadas por la Figura a) se basaron nicamente en forzamientos naturales: variaciones solares y actividad volcnica. Las que se

Figura III.6 Comparaciones entre las simulaciones y las observaciones del aumento de temperatura desde el ao 1860

Fuente: Evaluacin del Grupo Intergubernamental de Expertos sobre el Cambio Climtico (IPCC). 2001.

1926

1936

1946

1956

1966

1986


31

1996

2001

1911

muestran en la Figura b) se basaron en forzamientos antropognicos: gases de efecto invernadero y una estimacin de aerosoles de sulfato. Las abarcadas por la Figura c) se basaron en ambos forzamientos naturales y antropognicos. Podemos ver en b) que la incorporacin de forzamientos antropognicos proporciona una explicacin para una gran parte de los cambios de temperatura observados durante el siglo pasado, pero la mejor coincidencia con las observaciones se obtiene en c), cuando se incluyen tanto los forzamientos naturales como los antropognicos. Estos resultados muestran que los forzamientos incluidos son suficientes para explicar los cambios observados, pero no excluyen la posibilidad de que otros forzamientos hayan podido contribuir de alguna manera. En cualquier caso, durante el siglo XX se han producido cambios importantes en la atmsfera que probablemente sern ms acusados en el futuro. Cambios en la atmsfera, clima y sistema biolgico terrestre durante el siglo XX. Evaluacin, ao 2001, del Grupo Intergubernamental de Expertos sobre el Cambio Climtico (IPCC):Indicador Cambios observados

Indicadores de concentracin Concentracin atmosfrica de CO2 Intercambio en la biosfera terrestre de CO2 Concentracin atmosfrica de CH4 Concentracin atmosfrica de N2O Concentracin troposfrica de O3 Concentracin estratosfrica del O3 Concentraciones atmosfricas de HFC, PFC, y SF6 Indicadores meteorolgicos Temperatura media mundial de la superficie Temperatura en la superficie del Hemisferio Norte Temperatura diurna de la superficie Aumento en el 0,6 0,2 C en el siglo XX; la superficie de la Tierra se ha calentado ms que los ocanos (muy probable). Aumento durante el siglo XX ms que en otro siglo de los ltimos 1.000 aos; la dcada de 1990 ha sido la ms clida del milenio (probable). Disminucin en el perodo 1950-2000 en las zonas terrestres; las temperaturas mnimas nocturnas han aumentado el doble de las temperaturas mximas diurnas (probable). Aumento (probable). Disminucin en casi todas las zonas terrestres durante el siglo XX (muy probable). Aumento en un 5-10% en el siglo XX en el Hemisferio Norte (muy probable), aunque han disminuido en algunas regiones (como en frica del Norte y occidental y partes del Mediterrneo). Aumento en latitudes medias y altas en el Norte (probable). Aumento del clima seco estival y las consiguientes sequas en algunas zonas (probable). En algunas regiones, como en partes de Asia y frica, parecen haberse acentuado la frecuencia e intensidad de las sequas en los ltimos decenios. 288 ppm durante el perodo 1000-1750 a 368 ppm en el ao 2000 (31 4% de aumento). Fuente acumulada de unas 30 Gt C entre los aos 1800 y 2000, pero sumidero neto de unos 14 7 Gt C durante el decenio de 1990. 700 ppb durante el perodo 1000-1750 a 1.750 ppb en el ao 2000 (aumento del 151 25%). 270 ppb durante el perodo 1000-1750 a 316 ppb en el ao 2000 (aumento del 17 5%). Aumento del 35 15% entre los aos 1750-2000, con variaciones segn las regiones. Una disminucin en los aos 1970-2000, con variaciones segn la altitud y latitud. Aumento en todo el mundo durante los ltimos cincuenta aos.

Das calurosos/ndice de calor Das de fro/heladas Precipitaciones continentales

Precipitaciones fuertes Frecuencia e intensidad de las sequas

32


4.

El protocolo de Kyoto (y el de Montreal) y su grado de cumplimiento

El protocolo de Kyoto, suscrito en 1997 por un gran nmero de pases entre los que no est Estados Unidos, representa un acuerdo, de obligado cumplimiento, de los pases desarrollados de reducir sus emisiones de gases de efecto invernadero. En el acuerdo se fijan reducciones para cada pas con objetivos concretos para el quinquenio 2008-2012. El Protocolo representa un compromiso de reducir las emisiones de seis gases de efecto invernadero en, al menos, un 5% en relacin con las emisiones del ao 1990. Este objetivo se alcanza con reducciones del 8% para Suiza, la mayor parte de los pases de Europa Central y del Este, y la Unin Europea de los 15 (en esta, cada pas tiene un objetivo propio). La reduccin de Estados Unidos sera del 7%, caso de ratificar el Protocolo, y el 6% para Canad, Hungra, Japn y Polonia. Rusia, Nueva Zelanda y Ucrania mantendran el nivel de sus emisiones, mientras que Noruega podra aumentarlas en un 1%, Australia hasta un 8% e Islandia hasta un 10%. Como se indic ms arriba, los seis gases se ponderan de acuerdo con su capacidad de afectar el efecto invernadero y se suman en CO2 equivalente. Las reducciones de emisiones debern ser en efecto mayores que el 5%, en el sentido de que las emisiones en el ao 2000 no solo no han disminuido en lnea con el objetivo de Kyoto, sino que han aumentado considerablemente. De hecho, comparando con una extrapolacin lineal de la tendencia 1990-2000, para cumplir con los compromisos para el ao 2010, las reducciones deberan ser del 20% aproximadamente. Por otra parte, cuando se habla de emisiones, se consideran en principio emisiones netas menos absorciones de CO2 en sumideros como la vegetacin, etc. As como la metodologa para cuantificar las misiones est bien establecida, la metodologa para cuantificar los sumideros no lo est. El Protocolo establece que los gastos para el cumplimiento de los objetivos entre los que se incluye transferencia de tecnologa, investigacin cientfica y tcnica, etc., corrern a cargo de los firmantes del Protocolo. En la Tabla III.3 indicamos los objetivos de reduccin de emisiones de gases de efecto invernadero para los pases de la UE-15 y grado de cumplimiento (distance-to-target indicator). El indicador de distancia al objetivo (distance-to-target indicator, DTI) es una medida de la desviacin entre las emisiones de gases de efecto invernadero en el ao 2001 y la interpolacin lineal entre las emisiones del ao 1990 y el objetivo del Protocolo de Kyoto para 2008-2012. Aunque de origen distinto al de los gases generados por la produccin de energa, parece apropiado comentar cmo la implementacin del Protocolo de Montreal, rubricado en 1987, ha ayudado a controlar las emisiones de los gases responsables de la disminucin de la capa de ozono en la estratosfera, como son los fluorcarbonados (ver Solomon, Susan, The hole truth. Whats news (and whats not) about the ozone hole, Nature 427, 289, 2004). En la Figura III.7 se indica cmo se han reducido las emisiones de estos gases fluorcarbonados (CFCs). En la Figura III.8 se indica la evolucin del agujero de la capa de ozono Antrtica a lo largo de los ltimos 20 aos.energa: presente y futuro de las diversas tecnologas

33

Tabla III.3 Objetivo de reduccin de emisiones de gases de efecto invernadero para los pases de la UE-15 y grado de cumplimiento (distance-to-target indicator)Pas Objetivo de reduccin para el ao 2012 (%) Distancia en 2001 al objetivo de reduccin

Alemania Austria Blgica Dinamarca Espaa Finlandia Francia Grecia Holanda Irlanda Italia Luxemburgo Portugal Reino Unido Suecia Unin Europea

21 13 7,5 21 +15 0 0 +25 6 +13 6,5 28 +27 12,5 +4 8

6,8 16,8 10,5 11,4 23,8 4,7 0,4 9,8 7,4 23,9 10,7 28,8 21,6 5,2 5,5 2,1

Figura III.7 Produccin y emisiones de gases responsables de la disminucin de la capa de ozono (ver Solomon)

Hay que notar que mientras los CFCs se pueden eliminar, no es fcil encontrar sustitutos para los combustibles fsiles

34


Figura III.8 Variacin del agujero de la capa de ozono Antrtica (ver Solomon)

BibliografaNuclear Energy and the Kyoto Protocol, NUCLEAR ENERGY AGENCY. ORGANISATION FOR ECONOMIC CO-OPERATION AND DEVELOPMENT. Summary for Policy Makers: A Report of Working Group I of the Intergovernmental Panel on Climate Change, approved by IPCC Member governments in Shanghai in January 2001. OUR CHANGING PLANET. The U.S. Climate Change Science Program for Fiscal Years 2004 and 2005. A Report by the Climate Change Science Program and the Subcommittee on Global Change Research. 2004. FISCHER, H. et al. (1999): Ice Core Records of Atmospheric CO2 Around the Last Three Glacial Terminations, Science 283, 1712. IPCC. http://www.ipcc.ch/ LACKNER, K. S. (2003): A Guide to CO2 Sequestration, Science, 300, 1677. PETIT, J. R. et al. (1999): Climate and atmospheric history of the past 420000 years from the Vostok ice core in Antartica, Nature 399, 429-36. Report of Working Group of the Intergovernmental Panel on Climate Change, approved by IPCC Member governments in Shanghai in January 2001. SOLOMON, Susan (2004): The hole truth. Whats news (and whats not) about the ozone hole, Nature 427, 289. WEART, Spencer R. (2003): The Discovery of Global Warming, Harvard University Press. World Energy Use and Carbon Dioxide Emissions, 1980-2001. Energy Information Administration. May 2004.


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CAPTULO IV

Combustibles fsiles

1.

Introduccin

Las reacciones qumicas que permiten extraer energa de los combustibles fsiles son del tipo: C + O2 CO2 + 4,1 eV CH4 + 2 O2 CO2 + 2 H2O + 8,3 eV La energa producida al romper los enlaces del carbono y de los hidrocarburos es del orden del eV que puede compararse con la energa producida en las reacciones nucleares que es de un milln de veces superior. Un aspecto muy relevante de las ecuaciones anteriores es que, tanto al romper la molcula de carbono como la de los hidrocarburos, se produce CO2 como residuo. Este, adems de su carcter finito, es uno de los grandes inconvenientes de los combustibles fsiles responsables de una gran parte de la emisin de CO2 a la atmsfera. Los combustibles fsiles por excelencia son el petrleo y el carbn, a los que se est incorporando con gran fuerza el gas natural. Estos tres combustibles representan entre el 70 y el 80% del consumo total de energa en el planeta. Estas fuentes de energa estn localizadas en regiones concretas del mundo distintas de donde se produce la mayor parte del consumo. Las reservas de petrleo del Oriente Medio representan el 64% del total mundial, mientras que Estados Unidos y Europa consumen el 25% y el 23%, respectivamente, y Oriente Medio consume el 6% de la produccin mundial. Europa importa el 60% del petrleo que consume y Estados Unidos el 50%.

2.

Reservas de petrleo, gas y carbn

La primera pregunta que surge en relacin con los combustibles fsiles es hasta cundo durarn las reservas. En relacin con el petrleo, el primer estudio se debe a King Hubbert en la dcada de 1950. l fue el primero que se dio cuenta de que la explotacin de un pozo de petrleo sigue la forma de una campana. La produccin aumenta a lo largo de los aos alcanzando un mximo aproximadamente cuando la mitad de la capacidad del pozo se ha extrado; a partir de ese momento, la produccin decae continuamente. De la misma manera, grosso modo, la produccin mundial debe seguir una curva del mismo tipo. En 1956 Hubbert predijo correctamente que la produccin de petrleo en Estados Unidos alcanzara el mximo a principios de la dcada de 1970. Su prediccin fue correcta, aunque el descubrimiento del petrleo de Alaska hizo que el declienerga: presente y futuro de las diversas tecnologas

37

ve posterior al mximo fuera ms suave de lo previsto. En la Figura IV.1 se muestran los descubrimientos anuales de petrleo en Estados Unidos y la produccin con un corrimiento de 30 aos. Se observa el comportamiento de campana predicho por Hubbert.

Figura IV.1 Descubrimientos y consumo de petrleo en Estados Unidos

En 1974 (ao de la primera gran crisis del petrleo) Hubbert predijo que la produccin mundial de petrleo alcanzara su mximo en 1995, basndose en que la cantidad total de petrleo recuperable en el mundo era de 2.000 109 billones de barriles. Cul es la situacin hoy? El consumo total mundial hasta 1999 ha sido de, aproximadamente, 888 9 barriles, esto es, del orden de la mitad de las reservas totales estimadas. Esto 10 parece indicar que, de acuerdo con las previsiones de Hubbert y el estudio World Oil Supply 1930-2050 aparecido en 1995 (Petroconsultants, Campbell, C. J. y Laherre, J. H., Ginebra, 1995), estamos muy cerca del mximo de produccin, y por lo tanto cerca del principio del declive que, de acuerdo con la curva de Hubbert, llevara al agotamiento de las reservas en el ao 2050. Sin embargo, la curva de Hubbert es cuestionable, ya que considera solo los aspectos fsicos de las reservas de petrleo, mientras que considerando otros aspectos como los econmicos, ahorro energtico, aspectos polticos y futuros desarrollos tecnolgicos que permitan una ms completa extraccin del petrleo de los yacimientos (actualmente se recupera del orden del 40% del total) y explotacin de yacimientos hoy no rentables, se llega a la conclusin de un futuro suministro de petrleo mucho ms duradero que lo previsto por Hubbert. La primera dificultad a la hora de evaluar para cuntos aos tenemos garantizado el suministro de petrleo es la estimacin de las reservas recuperables; durante los ltimos aos ha habido diversos estudios que proporcionan diversos valores como se indica en la Figura IV.2. Otro factor que hace difcil la estimacin de las reservas es el hecho de que diversos pases pertenecientes a la OPEP declararon importantes aumentos de38energa: presente y futuro de las diversas tecnologas

Figura IV.2 Estimaciones sobre reservas ltimas de petrleo

Fuente: Hall, C. et al. Nature, 426, 318 (2003).

ellas en la dcada de 1980 sin que se hubieran dado cuenta de descubrimientos relevantes. As, Irn pas en el ao 1986 de declarar reservas de 49 millones de barriles a 93 millones. Irak en 1987 de 47 a 100. Kuwait en 1984 de 65 a 90. Arabia Saudita en 1989 pas de 167 a 248 millones de barriles. Venezuela en 1987 pas de declarar 26 millones de barriles a unas reservas de 56 millones de barriles... La razn de estos aumentos sbitos se debe a que por aquellos aos se fij una cuota de produccin para los miembros de la OPEP directamente relacionada con las reservas. Como dato ms relevante podemos comparar los descubrimientos totales en el mundo y el consumo total. Obsrvense en la Figura IV.3.

Figura IV.3 Descubrimientos anuales de petrleo (en 109 barriles por ao) y produccin mundial

Fuente: ExxonMobil (2002).


39

La Figura nos indica cmo los grandes descubrimientos se produjeron en la dcada de 1960 y cmo desde entonces han ido disminuyendo mientras que el consumo ha ido aumentando. Si aceptamos en el mundo un comportamiento como el indicado antes para Estados Unidos, con un decalaje de 30-40 aos entre el descubrimiento y la produccin, el pico de produccin (pico Hubbert) estara alrededor del ao 2000. En la Figura IV.4 se indica el gap entre descubrimientos y produccin. Se puede decir que, hoy, por cada barril que se descubre se consumen cuatro.

Figura IV.4 Gap entre los descubrimientos y el consumo de petrleo

50 40

Billion barrels

30 20 10 0 -10 -20 1940 1950 1960 1970 1980 1990 2000

Fuente: Aleklett, K. and Campbell, C. J. The peak and decline of world oil and gas Production.

A continuacin damos algunos datos un poco ms elaborados sobre las reservas de combustibles fsiles. Los datos suministrados por diversas agencias sobre las reservas probadas de petrleo coinciden razonablemente. Aqu nos fijaremos en los datos proporcionados por la compaa British Petroleum en su BP Statistical Review of World Energy 2003. Se entiende por reservas probadas aquellas sobre las que existe una certeza razonable de que puedan ser extradas a los costes corrientes y con las tecnologas existentes.Ao Reservas probadas en Giga barriles (Gb) *

1992 2001 2002* 1 Gb son 109 barriles.

1.006,7 Gb 1.050,3 Gb 1.047,7 Gb

La distribucin geogrfica de estas reservas se reparte como sigue:Regin Reservas probadas (Gb)

Oriente Medio Amrica Central y del Sur Europa y Eurasia frica Amrica del Norte Asia (Pacfica) Total

685,6 98,6 97,5 77,4 49,9 28,7

Gb Gb Gb Gb Gb Gb

1.047,7 Gb

40


Es interesante comparar estas reservas con el consumo mundial anualAo Consumo mundial de barriles de petrleo

1992 2001 2002

24,4 Gb/ao 27,5 Gb/ao 27,6 Gb/ao

De mantenerse el consumo actual, las reservas probadas suministraran petrleo durante 38 aos. En relacin con los recursos totales (reservas probadas y por descubrir) los informes de diversas agencias son contradictorios. Recogemos tres estudios extremos: a) International Energy Outlook 2003 de la Energy Information Administration del Departamento de Energa de Estados UnidosReservas remanentes * Aumento de reservas ** Petrleo por descubrir Total 1.105 Gb 730 Gb 938 Gb 2.773 Gb

* Petrleo que ya ha sido descubierto pero no se ha extrado todava. ** Aumento de las reservas debido principalmente a factores tecnolgicos que mejoran la recuperabilidad de los yacimientos ya existentes.

b) C. J Campbell y J. H. Laherrre (Scientific American, marzo 1998)Reservas remanentes Reservas recuperables Total 850 Gb 700 Gb 1.550 Gb

c) El US Geological Survey World en su Petroleum Assessment 2000 da los siguientes datos:Reservas remanentes Aumento de reservas Petrleo convencional no descubierto Produccin acumulada Total 891 688 732 710 Gb Gb Gb Gb

3.021 Gb

Las mayores discrepancias se deben a la estimacin de la tasa de recuperabilidad del petrleo de yacimientos como los de tar-sand (arenas bituminosas) de la cuenca del Orinoco (estimado en 272 Gb) y Canad (estimado en 300 Gb), as como el petrleo de la cuenca del Caspio (40-60 Gb en total), difcil y costoso de extraer, y el de los pases occidentales de frica, como Angola y Nigeria, con importantes yacimientos en aguas profundas. En cualquier caso, los costes de extraccin y refino de estos crudos ser superior al del petrleo convencional de, por ejemplo, Oriente Prximo. En los casos del Gas Natural y Carbn nos limitaremos a dar los datos de las reservas probadas sobre los que hay un consenso generalizado. Los datos son los suministrados por British Petroleum. Distribucin geogrfica de las reservas probadas de Gas Natural al final de 2002 en trillones (1012) de metros cbicos


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Regin

Reservas probadas (1012 m3)

Oriente Medio Federacin Rusa Europa Pacfico frica Amrica del Norte Amrica Central y del Sur Total

56,06 47,57 13,47 12.61 11,84 7,15 7,08 155,78

Se establece un consumo mundial en el ao 2002 de 2535,5 Gm3. De mantenerse el consumo actual, las reservas probadas suministraran gas durante 61 aos.

Reservas probadas de Carbn al final de 2002 (BP)Regin Reservas probadas (G toneladas)

Pacfico Amrica del Norte Europa Federacin Rusa frica Amrica Central y del Sur Oriente Medio Total

292,5 257,8 198,39 157,01 55,4 21,8 1,7

(189,3) (120,2) (95,81) (49,09) (55,2) (7,7) (1,7)

984,6 (519,06)

En parntesis slo la parte correspondiente a antracita y carbn bituminoso.

El consumo anual es de aproximadamente 4.776 millones de toneladas al ao, por lo que las actuales reservas probadas garantizan un suministro del orden de unos doscientos aos.

3.

Tecnologas asociadas a la bsqueda y extraccin de hidrocarburos

Las tecnologas relacionadas con la bsqueda y extraccin de hidrocarburos han evolucionado mucho a lo largo de los aos. No hay que olvidar las enormes implicaciones econmicas de la industria petrolera que, anualmente, perfora del orden de 60.000 kilmetros. Los costes para la industria estadounidense de poner un barril de petrleo a punto para la produccin han pasado de varias decenas de dlares en el ao 1981 a los 5-7 dlares actuales. Estos costes se han conseguido, en parte, gracias a desarrollos tecnolgicos. Durante muchos aos la exploracin de yacimientos se bas en la interpretacin geolgica del subsuelo una vez detectadas emanaciones en la superficie. Entre los aos 19601980, la exploracin se bas en el desarrollo de la ssmica de reflexin para obtener datos de la estructura y composicin del subsuelo tanto en tierra firme como en el fondo marino. Posteriormente se ha desarrollado la ssmica tridimensional y evolucin temporal de los yacimientos. La aparicin de los grandes ordenadores y el estudio y reconocimiento de imgenes, as como su evolucin temporal, han sido determinantes en estos y en futuros desarrollos. Los depsitos de hidrocarburos pueden tener de un espesor de centenares de me42energa: presente y futuro de las diversas tecnologas

tros hasta unos pocos centmetros. A parte de los yacimientos de Oriente Medio, la mayora son de un espesor de unos pocos metros y una gran extensin lateral. La recuperacin de estos yacimientos es complicada, y es su recuperacin del orden del 30% o menos muy comn (ver B. Clark y R. Kleinberg, Physics Today, abril 2002). La perforacin para encontrar y extraer los hidrocarburos ha llegado a profundidades de hasta tres kilmetros en el fondo del mar. Para explorar un subsuelo, las perforaciones actualmente son horizontales, de hasta decenas de kilmetros, en lugar de hacer diversas perforaciones verticales en un rea determinada, lo que ahorra costes y disminuye el impacto medioambiental. Para estudiar los yacimientos se utilizan diversas tcnicas y sensores. Tpicamente, el gas y el petrleo se encuentran en las cavidades (poros en muchos casos) de las rocas, generalmente en arenisca; el tamao de los granos de cuarzo es de 0,02-2 milmetros de dimetro y la porosidad de 0,1-0,3. La determinacin de la porosidad de la roca es de capital importancia. Diversas tcnicas como dispersin de rayos gamma y neutrones, propagacin acstica y resonancia magntica nuclear se han desarrollado para estudiar la porosidad y composicin de los yacimientos. Por ejemplo, rayos gamma emitidos por una fuente de cesio 137 se dispersan por la roca y se detectan unos centmetros ms all (todo esto en hueco de anchura de menos de 50 centmetros de dimetro y centenares de metros e longitud), con lo que la diferencia de densidad electrnica entre la roca y los lquidos permite determinar la porosidad a partir de la atenuacin de los rayos gamma. De la misma manera, se puede determinar la estructura porosa y la invasin de agua en los yacimientos por medio de medidas de la resistividad elctrica acompaadas de la solucin de las ecuaciones de Maxwell. Para distinguir entre el gas y el petrleo se utiliza el decaimiento, debido a los choques con los tomos de hidrgeno, de la energa de neutrones de una fuente como americio-berilio. La menor densidad de hidrgeno del gas frente al petrleo permite distinguirlos con esta tcnica. Recientemente, estas tcnicas se estn incorporando a la cabeza de la cabeza perforadora [measurements-while-drilling (MWD)], lo que dirige la orientacin de la perforacin. Una de las razones por las que no se puede recuperar gran parte del petrleo de los yacimientos se debe a que la tensin superficial no deja fluir al lquido a travs de poros pequeos; una manera de reducir la tensin superficial es inyectar surfactantes o CO2 presurizado. Investigacin en el flujo de lquidos multifsicos en medios porosos puede ayudar a mejorar la explotacin de los yacimientos. En el ao 2003 se extrajeron del orden de 2,8 millones de barriles (del orden del 3,5 del total mundial) por mtodos no convencionales tales como la extraccin microbiana para separar el petrleo de las rocas. Finalmente, hay que indicar el potencial de los llamados combustible fsiles no convencionales, como el petrleo sinttico y otros, aunque su extraccin es todava costosa y mediambientalmente no muy satisfactoria. Por ejemplo, las arenas bituminosas son muy abundantes en la cuenca del Orinoco y Canad, como ya se indic ms arriba. Por ltimo, un dato que nos indica el papel de la tecnologa: los pases productores no pertenecientes a la OPEP consiguieron rebajar el coste de extraccin de un barril desde los 22 dlares de 1981 hasta los 6 dlares en el ao 2000.


43

4.

Combustibles fsiles para la produccin de electricidad y energa trmica

La mayora de las mquinas para producir trabajo a partir del calor producido por un combustible tienen por referencia el ciclo de Carnot, que es un ciclo ideal reversible compuesto de dos isotermas y dos adiabticas. Es el de mayor rendimiento entre dos focos de calor a diferentes temperaturas. Su rendimiento es R = (TC TF) / TC, donde TC y TF son la temperatura (en grados absolutos) del foco caliente y fro respectivamente.

Figura IV.5 Ciclo de Carnot

La necesidad de aumentar la eficiencia de las centrales elctricas operando con combustibles fsiles, as como el hecho de poder utilizar como combustibles carbones de mala calidad y residuos de diversa ndole, ha propiciado el desarrollo de diversas tecnologas. Segn el ciclo termodinmico en que se basen, podemos dividir las centrales en tres tipos: Centrales de turbina de vapor basadas en el ciclo de Rankine. En estas centrales la temperatura superior del ciclo corresponde a la temperatura del vapor sobrecalentado a la entrada de la turbina (del orden de 600 C), y la temperatura inferior es la temperatura ambiente del agua de refrigeracin. Los rendimientos netos actuales son del 35-37%. Las centrales crticas y supercrticas, basadas en materiales ms resistentes a altas temperaturas, tienen rendimientos netos actuales del 37-40% y potenciales del 42-45%, pero con elevados costes. Centrales de turbina de gas basadas en el ciclo termodinmico de Brayton. Estas turbinas operan a una temperatura de entrada muy alta, hasta 1.200 C, pero las temperaturas de los gases de escape son tambin muy altas, de 500-600 C, de forma que el proceso no est optimizado desde el punto de vista del rendimiento. Para las unidades ms modernas el rendimiento es del 35-38%. En tercer lugar, el Ciclo Combinado, consiste en la complementacin de turbinas de gas con turbinas de vapor, de manera que se mantienen altas temperatu44energa: presente y futuro de las diversas tecnologas

ras de absorcin en el ciclo y una temperatura baja de cesin en el ciclo de vapor, aumentando el rendimiento termodinmico hasta valores superiores al 55%. Desde el punto de vista de la combustin en s, podemos distinguir esencialmente tres tecnologas: combustin en lecho fluidizado, gasificacin y carbn pulverizado (ver Clean Coal Center del IEA) Estas tecnologas, como la combustin en lecho fluidizado y el ciclo combinado, han permitido pasar de los rendimientos del 30% en la dcada de 1960 a los actuales, cercanos al 60%, utilizando ciclos combinados de vapor (Rankine) y gas (Brayton). Estos avances han permitido reducir las emisiones de SO2 y NOX en porcentajes cercanos al 100% y, por otra parte, la posibilidad de incinerar materiales que, con otras tecnologas, seran considerados como residuos. Asimismo, la combinacin con fuentes renovables como biomasa y solar, permiten la disminucin tanto de emisiones como de residuos. Para apoyar el desarrollo de estas tecnologas de carbn limpio, la Unin Europea ha dedicado importantes fondos a travs del Programa THERMIE en la dcada de 1990, como se indica en la Tabla IV.1.Tabla IV.1 Proyectos sobre uso de carbn mezclado con residuos apoyados por la Comisin Europea dentro del Programa THERMIE en los aos 1990-1995rea Tecnolgica N. proyectos Comprometido (MECU) Coste Total (MECU)

Gasificacin Gasificacin subterrnea Licuefaccin Combustin en lecho fluido Ciclo combinado Carbn pulverizado Residuos/Medio ambiente TOTAL

1 1 1 5 6 6 9 29

1,4 7,7 6,3 20,0 85,9 22,5 8,7 152,5

3,5 19,1 15,9 460,0 906,7 90,5 30,6 1.526,3

Fuente: Proceedings Seminar The use of coal in mixture with wastes and residues Madrid 1996.

Entre los procesos que se utilizan para la limpieza de gases podemos indicar: Reacciones de desulfuracin Lecho fluidizado atmosfrico: Calcinacin:, CaCO3 CaO + CO2 Sulfatacin: CaO + SO2 + 1/2 O2 CaSO4 Lecho fluidizado a presin: Sulfatacin directa:, CaCO3 + SO2 + 1/2 O2 CaSO4 + CO2 Para la obtencin de gas a partir de combustibles slidos: Reacciones de gasificacin: Combustin en exceso de oxgeno: Combustin en defecto de oxgeno: Gasificacin de vapor: Gasificacin de vapor: Gasificacin de hidrgeno: Gasificacin de hidrgeno: Reduccin de dixido de carbono: C + O2 CO2 C + 1/2 O2 CO C + H2O CO + H2 CO + H2O CO2 + H2 C + 2H2 CH4 CO + 3H2 CH4 + H2O C + CO2 2CO45


Emisiones de CO2 en generacin elctrica con combustibles fsiles Carbn Pulverizado Carbn en Lecho Fluidizado Ciclo Combinado de Carbn Gasificado Turbina de Gas Ciclo Combinado de Turbina de Gas 884 851 758 470 345 gr/kWh gr/kWh gr/kWh gr/kWh gr/kWh

Centrales espaolas de carbn limpioEspaa, dada la importancia del carbn en la produccin nacional de electricidad (del orden del 40%) y la mala calidad de los carbones nacionales, ha hecho un esfuerzo notable en el desarrollo de tecnologas de uso de carbn limpio. A continuacin se describen muy someramente algunas centrales elctricas de esta ndole que operan en Espaa. Hay que indicar que el desarrollo de estos proyectos ha tenido un importante apoyo econmico de la UE y son todos ellos proyectos de carcter internacional.

Central trmica de La Pereda (Hunosa)Residuo primario: Residuo de la minera del Carbn Combustor de lecho fluidizado circulante atmosfrico Potencia: 50 MWe Combustible: 59,8% Estriles de escombrera 35,3% Carbn bruto 4,9% Residuos de madera Absorbente: Caliza (95,5% CaCO3) EMISIONES (1995):Directiva CEE(88/609) La Pereda

SO2 NOX Partculas

< 1.800 < 600 mg/m3 < 100 mg/m3

mg/m3

< 539 mg/m3 < 491 mg/m3 < 50 mg/m3

Rendimiento neto del grupo: 33,6%

Central trmica de Escatrn (Endesa)Combustor de lecho fluidizado a presin Combustible: Carbn del rea Teruel Mequinenza de composicin:Humedad Cenizas Materia voltil Carbn fijo Azufre 19% 27% 24,5% 28% 5%

Potencia: 80 MWe46energa: presente y futuro de las diversas tecnologas

EMISIONES:Directiva CEE(88/609) Escatrn

SO2 NOX Partculas

< 1.800 mg/m3 < 600 mg/m3 < 100 mg/m3

absorcin del 95% 300 mg/m3 20 mg/m3

Eficiencia: 34,6%

Proyecto ELCOGAS: gasificacin integrada en ciclo combinado (GICC) de PuertollanoEsta central representa el desarrollo mundial ms ambicioso de gasificacin integrada en ciclo combinado. Las principales compaas elctricas de Espaa, Reino Unido, Francia, Italia y Portugal estn involucradas en la construccin y operacin de esta planta de demostracin, cuyo coste (financiado parcialmente por el Programa Thermie de la UE) es del orden de los 100.000 millones de pesetas. El proyecto, en sntesis, se fundamenta en la gasificacin del carbn para alimentar una turbina de gas, cuyos gases de escape se aprovechan en una caldera de recuperacin para alimentar una turbina de vapor en forma de ciclo combinado. El combustible bsico es el carbn de las minas de la zona de Puertollano y el coque de petrleo procedente de una refinera instalada en esta localidad. A esta mezcla se le agrega agua y oxgeno para que sufra una oxidacin parcial (proceso de gasificacin) y as se consigue un gas sinttico compuesto principalmente de hidrgeno y monxido de carbono a una temperatura de 1.400 oC, calor que se utiliza parcialmente para producir el vapor. El comportamiento de los materiales a altas temperaturas y la limpieza de gases para un correcto funcionamiento de la turbina de gas son dos limitaciones importantes de la planta. La limpieza de gases en caliente y la eliminacin de lcalis y metales pesados son retos para el funcionamiento eficiente y verstil de estas plantas. Combustible: Carbn (40% de cenizas) 50% Coque de petrleo (5% de azufre) 50% Potencia: 320 MWe Ahorro de 20% en el consumo de agua. EMISIONES:Directiva CEE(88/609) ELCOGAS

SO2 NOX Partculas

< 1.800 mg/m3 < 600 mg/m3 < 100 mg/m3

25 mg/m3 150 mg/m3 7,5 mg/m3

Eficiencia: 46% Datos de operacin al 4 de noviembre 1999:Nmero de gasificaciones Horas de operacin del gasificador Gasificacin ms prolongada (horas) Horas de turbina con gas de carbn Produccin elctrica neta con gasificacin Carga mxima del gasificador 124 1.696 245 945 223.853 MWh 99,1%


47

5.

Tecnologas limpias de combustin y gasificacin del carbn

Como ya se ha indicado ms arriba, los combustibles fsiles se pueden utilizar para producir energa de forma ms eficiente y limpia que la pura combustin. Diversas tecnologas estn en distintos grados de progreso y su implantacin comercial es una cuestin de mercado y abaratamiento de costes ms que de nuevos desarrollos. Como se indica en otro captulo la Unin Europea, que ha financiado estos desarrollos, los ha eliminado en el VI Programa Marco. Entre estas tecnologas podemos indicar: Quemadores avanzados de carbn pulverizado (PCF) Combustin en lecho fluidizado atmosfrico (AFBC) Combustin en lecho fluidizado a presin (PFBC) Sistemas de ciclo combinado con gasificacin integrada (IGCC) Combustin presurizada de carbn pulverizado (PPCC) Gasificacin integrada de sistemas de celdas de combustibles (IGFC) Segn datos del Libro Verde de la Unin Europea la eficiencia neta actual y prevista de estas tecnologas es la siguiente: el carbn pulverizado ha pasado de una eficiencia neta del 45% en 1992 a 49% en el ao 2000 y una previsin del 51% para el 2015. La combustin en lecho fluidizado a presin ha pasado de una eficiencia neta del 43% en 1992 a 49% en el ao 2000 y una previsin del 50% para el 2015. Los sistemas de ciclo combinado con gasificacin integrada han pasado de una eficiencia neta del 46% en 1992 a 51% en el ao 2000 y una previsin del 54% para el 2015. Se espera que en el futuro los sistemas IGFC y PPCC tengan una eficiencia del 55%. Dada la abundancia de recursos de carbn es interesante analizar la previsin de consumo en el mundo. No hay que olvidar que Estados Unidos posee abundantes recursos de carbn y que todo parece indicar que, tanto China como India, basan sus necesidades energticas futuras en el carbn, contrariamente al caso de Europa occidental. Los datos son del International Energy Outlook 2003 de la Energy Information Administration de Estados Unidos. Es interesante observar las predicciones recogidas en el documento World energy, technology and climate policy outlook 2030 (WETO) de la Comisin Europea en lo que se refiere a la produccin de electricidad por gas, combustin y gasificacin de carbn y biomasa. Los datos deben compararse con la prediccin (World Energy Outlook) de 20852 TWh para la generacin de electricidad en el mundo en el ao 2010.

48


Tabla IV.2 Consumo mundial de carbn por regiones. 1990-2025. Millones de short tonsDatos histricos Regin/Pas 1990 2000 2001 2005 2010 2015 2020 2025 Proyecciones Cambio anual porcentual 2001-2025

Pases industrializados Estados Unidos Canad Reino Unido Francia Espaa Alemania Japn Australia/Nueva Zelanda Total pases industrializados Europa del Este/Antigua Unin Sovitica Antigua Unin Sovitica Europa del Este Total Europa del Este/Antigua Unin Sovitica Pases en desarrollo China India frica Brasil Total pases en desarrollo Total Mundial

819 54 108 32 53 479 113 96 1.901

984 63 58 23 50 240 145 130 1.841

962 66 64 19 46 240 151 133 1.846

1.004 73 58 15 240 145 141 1.875

1.105 78 58 15 240 152 160 2.008

1.163 77 53 9 215 163 164 2.042

1.232 71 48 6 184 170 173 2.077

1.310 69 48 6 184 180 83 2.177

1,3 0,2 1,2 4,6 1,1 0,7 1,3 0,7

770 479 1.249 1.020 220 138 15 1.665 4.816

382 354 736 1.163 326 170 19 2.064 4.642

405 347 751 1.255 327 173 19 2.179 4.776

502 289 790 1.309 347 200 20 2.309 4.974

460 276 736 1.643 391 205 23 2.722 5.466

464 257 721 1.919 428 224 28 103 5.866

415 230 645 2.279 463 245 28 3.546 6.270

377 212 589 2.647 526 267 33 4.023 789

0,3 2 1 3,2 2 1,8 2,3 2,6 1,5

Fuentes: Histricos: Energy Information Administration (EIA), International Energy Annual 2001, DOE/EIA-0219(2001) (Washington, DC, February 2003), web site www.eia.doe.gov/iea/. Proyecciones: EIA, Annual Energy Outlook 2003, DOE/EIA-0383(2003) (Washington, DC, January 2003); and System for the Analysis of Global Energy Markets (2003).

Tabla IV.32000 2010 2030

Carbn Supercrtico Coste total de la Inversin [99/kW] Eficiencia [%] Generacin de electricidad [TWh] Gasificacin de Carbn Integrada (IGCC) Coste total de la Inversin [99/kW] Eficiencia [%] Generacin de electricidad [TWh] Carbn Directo Coste total de la Inversin [99/kW] Eficiencia [%] Generacin de electricidad [TWh] Turbina de Gas en Ciclo Combinado Coste total de la Inversin [99/kW] Eficiencia [%] Generacin de electricidad [TWh] Gasificacin de Biomasa Coste total de la Inversin [99/kW] Generacin de electricidad [TWh]

1.970 44 0,009 2.631 43,5 0,11 n.a. n.a. n.a. 745 53,5 1.311 2.368 0,11

1.303 46 1.391 1.805 49 355 1.733 46,5 n.a. 587 57 5.240 2.198 255

1.117 49 6.989 1.361 49,8 3.101 1.252 49,3 1.893 533 59 8.334 2.087 169


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6.

Consideraciones finales

Cuando se habla de combustibles fsiles, lo primero que se pregunta es hasta cundo hay reservas de petrleo. Como se ha indicado, distintas fuentes dan distintos resultados. Lo ms conservador sera decir que en unos 20-30 aos se acabar el petrleo barato. El propio aumento de precios har que yacimientos en el fondo del mar y en otros lugares inaccesibles sean rentables, de la misma manera que la propia extraccin de los actuales yacimientos ser ms exhaustiva, y la extraccin de combustibles de arenas bituminosas y alquitranes, as como de hidruros de metano, se podrn llegar a comercializar. Un caso importante de los combustibles fsiles es el carbn. Durante los ltimos aos, su uso, contrariamente al caso del gas natural, ha disminuido en los pases desarrollados, especialmente en Europa, entre otras razones por la mala calidad de los carbones propios frente a los importados. Sin embargo, diversos estudios prevn un aumento muy importante del consumo del carbn en pases como Estados Unidos, la India y China. De hecho, el aumento de necesidades energticas de China y la India en los prximos aos se sustentar en el carbn. Diversas tecnologas de carbn limpio han llegado a su madurez y se espera que se vayan implantando en las prximas dcadas.

Apndice

Autoabastecimiento de combustibles fsiles REINO UNIDO Importacin de Petrleo: Importacin de Gas: Importacin de Carbn: FRANCIA Importacin de Petrleo: Importacin de Gas: Importacin de Carbn: ESPAA Importacin de Petrleo: Importacin de Gas: Importacin de Carbn:Fuente: EIA (2003).

46% 94% 95% 88% 100% 97% 52%

ITALIA Importacin de Petrleo: Importacin de Gas: Importacin de Carbn: Noruega Importacin de Petrleo: Importacin de Gas: Importacin de Carbn: ALEMANIA Importacin de Petrleo: Importacin de Gas: Importacin de Carbn:

90% 80% 100% 94% 85% 15%

La Unin Europea de los 25 tiene aproximadamente el 0,6% de las reservas mundiales probadas de petrleo y el 2,0% de las de gas natural. Por otra parte posee el 19,5% de las reservas mundiales de carbn y una capacidad de refino de crudo del 17,8%. Europa genera el 18,4% de la electricidad mundial.

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BibliografaALEKLETT, K. y CAMPBELL, C. J.: The peak and decline of world oil and gas Production. CAMPBELL, C. J. (1997): The Coming Oil Crisis. Multi-Science Publishing Co. & Petroconsultants 210 p. CAMPBELL, C. J. y LAHERRRE, J. H. (1998): The end of cheap oil. Scientific American March 80-86. CLARK, B. y KLEINBERG, R. (2002): Physics Today, abril. CLEAN COAL CENTER. http://www.iea-coal.org.uk/. DEFFEYES, K. S. (2001): Hubberts Peak. The Impending World Oil Shortage, Princeton University Press. ENERGY INFORMATION ADMINISTRATION DEL DEPARTAMENTO DE ENERGA DE ESTADOS UNIDOS. http://www.eia.doe.gov/pub/oil_gas/petroleum/presentations/2000/long_term_supply/sld015.htm. GILES, J. (2004): Nature 428, 694. HALL, C. et al. (2003): Nature, 426, 318. INTERNATIONAL ENERGY OUTLOOK, 2003 de la Energy Information Administration del Departamento de Energa de Estados Unidos. LAHERRRE, J. H. (2001): OPEC and the global energy balance: towards a sustainable energy future. Viena Sept 28-29. LIBRO VERDE. Hacia una estrategia europea de seguridad del abastecimiento energtico. PROCEEDINGS OF THE SEMINAR (1996): The use of coal in mixture with wastes and residues, Madrid. THE ASSOCIATION FOR THE STUDY OF THE OIL & GAS PEAK. http://www.peakoil.net/. US GEOLOGICAL SURVEY. World energy, technology and climate policy outlook 2030 (WETO).


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CAPTULO V

Energa nuclear de fisin

1.

Principios de la fisin. Tipos de reactores nucleares

Cuando un neutrn pasa en las proximidades de un ncleo pesado, y es capturado, se produce un nuevo istopo que puede ser inestable y fisionarse en fragmentos ms pequeos liberando energa. La fisin ocurre tpicamente cuando neutrones de baja energa inciden en istopos pesados con un nmero impar de neutrones. La energa nuclear se produce por la fisin de ncleos pesados en dos o ms ncleos ms ligeros, de manera que la suma de la masa de estos es menor que la masa del ncleo progenitor; la diferencia de masas es la energa liberada de acuerdo con la frmula de Einstein E = mc2. A diferencia de la energa qumica en la que se libera energa por rotura de enlaces qumicos, cuya energa es del orden del electronvoltio, en el caso nuclear la energa de ligadura de los nucleones (protones y neutrones del ncleo) es mucho mayor, siendo esta del orden de los megaelectronvoltios. Por ejemplo, incidiendo un neutrn en un tomo de 235U, y si este es absorbido, el 235U se hace inestable y se fisiona dando lugar a cesio y rubidio adems de, entre 2 y 3, neutrones y 200 MeV segn la reaccin:235U

+ 1n 140Cs + 93Rb +3 1n + 200 MeV

Casi el 90% de la energa liberada lo es en forma de la energa cintica de los productos de fisin (cesio y rubidio, en este caso), de manera que, al ser el combustible slido, slo pueden viajar distancias microscpicas y la energa cintica se transforma en calor. El 10% restante de energa se reparte tpicamente entre la energa cintica de los neutrones y las radiaciones g y b. Productos tpicos de fisin de uranio son: Ba, Xe, La, Sr, Mo, Y, Br, Tc etc. Todos estos se emiten instantneamente, mientras que el 239Pu se emite posteriormente al ser debido al decay radiactivo. Algunos neutrones no se emiten hasta algunos segundos posteriores.235U 235U

+ 1n 141Ba +92Rb+3 1n + 170 MeV + 1n 94Zr + 139La +3 1n + 197 MeV

Los neutrones producidos en la fisin, a su vez, pueden incidir en otros tomos de uranio, produciendo una reaccin en ca

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