RETOS ENERGÉTICOS EN EL SIGLO XXI: LA ENERGÍA NUCLEAR COMO PARTE DE LA

SOLUCIÓN

“Opciones de futuro y tecnologías en desarrollo”

Universidad Internacional Menéndez PelayoSantander 21 julio 2005

Luis Gutiérrez JodraVicepresidente, Real Academia de Ciencias

SUSTITUCIÓN DE DERIVADOS DEL PETRÓLEO Y GAS NATURAL

Gasolina, gasóleosCompuestos orgánicos de base

Alcoholes (zeolitas)Ácidos, incluidos los grasos (ésteres)

2. Mediante biomasa

ButanoGas naturalCompuestos orgánicos de base

Gasolina, gasóleos yAceitesCompuestos orgánicos de base

Gas del alumbradoGas ciudadCon CaO. Carburo Cálcico

Acetileno (procesos Reppe)Cianamida

Con hidrógeno *Procesos Bergius y Fischer-Tropsch

Con agua. Gas de síntesis (CO+H2)

Sustituido1. Mediante carbón

• El hidrógeno puede obtenerse con pilas fotovoltaicas, mediante reactoresnucleares de alta temperatura y por electrolisis de agua

EMISIONES GLOBALES DE CO2

1990Otros países de la OCDE

12%Comunidad

Europea; 12%

Estados Unidos; 26%

Rusia y Europa del Este; 21%

Otros países en desarrollo;

15%

India; 3%China; 11%

2050

Rusia y Europa del Este; 15%

Estados Unidos; 12%

Comunidad Europea; 9%

Otros países de la OCDE; 6%

Otros países en desarrollo; 21%

India; 9%

China; 28%

Total: 5,9 G t de C Total: 12 G t de C

Fuente: Consejo Mundial de la Energía

EMISIONES PRODUCIDAS POR 1 KWH EN TODO SU CICLO DE VIDA

12-1907016-34024-49013-731Solar photovoltaic

5-35014-5021-877-124Wind

217-3200701-195012-14015-101Biomass forestrywastecombustion

1-1072-16413+-15004-15 000389-511Natural gas (combined cycle)

202-1003-502-59Nuclear

30-663+18-29700-5 273+700-32 321+790-1 182Coal-modernplant

503-425-602-48Hydropower

Particulatemattermiligram/kWh

NMVOCMiligram /kWh

NOxemissionsmiligram/kWh

SO2 Emissionsmiligram/kWh

Greenhouse gas emissionsCO2/kWh

GenerationOption

ALMACENAMIENTO DE CARBONO

90Consumo de combustibles

7Emisión anual

16-100

2-15

Biomasamaderahojas yminerales

700Biomasa10-200Suelo800Atmósfera

1,9x102-1,5x104

Inyección en subsuelo

2.000Suelo

6x104 -2x105

1,5x104-5x104

1,7x102-9x102

Carbonatos minerales

Océano neutroácido

40.000Océano

Tiempo, añosCapacidad, Gt

MÉTODOS PARA REDUCIR LAS EMISIONES DE CO2 (I)

• Eficiencia y conservación– Transporte.

• Mejora en el rendimiento del combustible • Menor uso de vehículos privados

– Viviendas.• Edificios más eficientes en calefacción y aire acondicionado.

– Mejora de rendimiento de las centrales generadoras de electricidad.

– Cambios en la generación de electricidad.

• Decarbonización• Gas natural en vez de carbón• Separación y almacenamiento de CO2 en centrales• Separación y almacenamiento de CO2 en fábricas de hidrógeno• Separación y almacenamiento de CO2 en fábricas de singas• Energía nuclear• Energía eólica• Energía fotovoltaica y otras renovables

MÉTODOS PARA REDUCIR LAS EMISIONES DE CO2 (II)

• Empleo del hidrógeno– Hidrógeno de energías renovables– Hidrógeno de energía nuclear

• Secuestro de CO2– Yacimientos de petróleo y carbón; cavernas, simas

y minas subterráneas– Mares y Océanos

• Otros– Plantas y bosques– Suelos

SECUESTRO DE DIÓXIDO DE CARBONO (I)

Métodos directos:– Vertido en tierra

• Simas, minas antiguas, acuíferos– Vertido en el mar

• Conducción por tubería (mezcla)– Gibraltar, sur de Noruega, mar de Weddell

(Antártida)• Situación en fondos profundos (clatratos)

– Simas, fondos marinos

SECUESTRO DE DIÓXIDO DE CARBONO (II)

Métodos indirectos:– Sembrar con hierro el mar (plancton)– Plantar árboles y aumentar el contenido de

materia orgánica en el sueloMétodos auxiliares:– Emplear oxígeno en vez de aire– Absorber CO2 del aire

Soluciones ideales:– Emisión cero de CO2– Empleo práctico de CO2

PROYECTOS DE SECUESTRO DE CO2

En operación

Vetas de carbón

3.000PoloniaRecopol

Fase pilotoAcuífero salino

3.000Estados Unidos

Frío

En preparación

Acuífero salino

125 millones

AustraliaGorgon

Funciona en 2004

Campo de gas natural

18 millonesArgeliaIn Salah

Completada la fase I

Yacimiento de petróleo

20 millonesCanadáWeyburn

En operación

Campo de gas natural

20 millonesMar del Norte

Steipner

EstadoOrigenCO2 a inyectar, (t)

UbicaciónProyecto

PRODUCCIÓN DE RESIDUOS EN ESPAÑA M ton/año (I)

Alta Actividad 0,0013

Baja y Media actividad 0,017

0,018RadiactivosPeligrosos 4Inertes 11

15Industriales17Forestales70Mineros

127AgropecuariosIndustriales

22Escombros y excavaciones10Lodos y tratamiento de aguas15Domésticos

Urbanos

PRODUCCIÓN DE RESIDUOS EN ESPAÑA M ton/año (II)

0,010CFC0,003Plomo1Partículas

2Orgánicos volátiles1NOx

3SO2

4CO276CO2

Gaseosos

REPROCESO DE COMBUSTIBLES GASTADOS POR VÍA ACUOSA

U Pu Np Te I Am Cm

Residuos de alta actividad Am+ CmAm +Ln+Cm

Productos Ln***de fisión

Productos defisión a vitrificar

Purex* Sesame**

Diamex** Sanex**

Calixarenos

*TBP **Moléculas quelantes selectivas ***Lantánidos

Cs

ANÁLOGOS NATURALES

- Vidrios basálticos - ZirconolitasVidrio y SYNROC

- Bühl (Alemania) - Hyrkköla (Finlandia)Hierro y Cobre

-Granito de Auriat - Plutón de East Bull Lake-(Francia) (Canadá)

Sistemas hidrotermales

-Condados de Li An - Murakami (Japón)-y An Ji (China)

Materiales arcillosos

- Lonch Lomond (UK) - Gorleben (Alemania)Estudios en sedimentos

- Shinkolobwe (Zaire) - Lianshanguan (Chjina)Yacimientos de uranio

Otros análogos- Omán - Maqrin (Jordania)Ambientes hiperalcalinos

- Kinnekulle (Suecia) - Dunarobba (Italia)Análogos arcillosos

- Poços de Caldas Brasil - Oklo (Gabón) - Koongarra (Australia) - Cigar Lake (Canadá)- Palmottu (Finlandia) - El Berrocal (España)

Yacimientos de uranio

Análogos principales

Análogo naturalTipo de sistema geológico

COMPARACIÓN DE CARACTERÍSTICAS DE CELDAS FOTOVOLTÁICAS

n.dn.d29,239Con concentrador

n.dn.d27,628Arseniuro de Galio

n.dn.d16,419Diseleniuro de Cobre e Indio

n.d615,827Telururo de Cadmiopolicristalino en película fina

3-54-61317Silicio amorfo(incluyendo aleaciones de Silicio)

5-813-1528´237Con concentrador

4-712-1423,530Silicio monocristalino

Coste, 3Dólares por Watio pico

EficaciaComercial,

%

Eficacia deLaboratorio, 2

%

Eficacia Teórica, 1

%

Material

1. La eficacia teórica se evalúa a nivel terrestre a una latitud de 45º N y temperatura ambiente de 20º C.2. Eficacia de laboratorio es la relación de la energía eléctrica que produce una celda expuesta a la luz

solar directa a la energía de la luz incidente sobre la celda.3. El coste se refiere a sólo el módulo solar y no refleja el balance del sistema que en la mayoría de los

casos duplica aproximadamente el coste total.3. n.d no disponible

PRESENTE Y FUTURO DE LOS MÓDULOS FOTOVOLTAICOS DE SILICIO

151030253025Vida útil de un módulo, años

8401.2003.1006.000 a13.900

2.6004.200 a11.600

Energía primaria para la fabricación de módulos, MJ/m2

10%6%14,8%12,7%14,5%12,1%Rendimiento de módulo

--18%15,5%16%14%Rendimiento de célula

FuturoPresenteFuturoPresenteFuturoPresente

AmorfosMonocristalinosPolicristalinos

EFICIENCIA CONVERSIÓN FOTOVOLTAICA

2015,59,7CIS

2015,8,77,25CdTe12,010,06,80

2012,710,25,90Si amorfoLámina delgada

2014,511,2s/cerámica2217,217,012,00poli

282623,120,915,30monoSilicio

Concentraciónlaboratorio

Límite teórico

estimado

Mejor I+Dcélula

laboratorio

Mejor pie cuadrado fabricado

Mayor módulo

comercial estándar

Tecnología

Fuente:Resultados obtenidos por fabricantes europeos, EE.UU.Japón, etc. Otras células con concentración alcanzan en laboratorio el 37%

SUPERCONDUCTIVIDAD• Tipo I. Sólo actúa la superficie. No aparece con campos magnéticos débiles.• Tipo II. Conducen corrientes intensas con campos magnéticos muy fuertes.

Temperatura crítica (Tc). Para T<Tc pierden resistencia. Depende de campo magnético y de estructura.

39Mg Br22001

NitrógenoId.Id.

3092>130>108

La Ba2 Cu O4

*YBa2 Cu2 Ox

Hg2 Ba2 Ca2 Cu3 Ox

*(Bi, Pb)2 Sr2 Ca2 Cu3 O2

1986

Id.Id.

->10

9,018,023

Nb-TiNb3 SnNb3 Ge

Años siguientes

Helio líquido8,81,2Nb Sn1931

RefrigeraciónCampo magnético tesla

T KCompuestoAño

* Utilizados prácticamente.Todos los compuestos son cerámicos

METODOS DE PRODUCCIÓN (I)

Altas Temperaturas. Ciclos.

H2O H2 + ½O2

Electrolisis

H2O H+ + OH-

2H+ + 2e H2

2OH- - 2e H2O + ½ O2

Combustibles fósiles

CCH4 + H2O CO2 + H2

-CH2-

Fotoprocesos radiación

hעγ + H2O H2 + ½ 02

METODOS DE PRODUCCIÓN (II)

HH22SOSO44 SOSO22 + H+ H22OO

2HI2HI CALORCALOR II22

Ciclo AzufreCiclo Azufre--Yodo de producción de hidrógenoYodo de producción de hidrógeno

CALORCALOR

AGUAAGUA

EL H

IDR

OG

ENO

METODOS DE PRODUCCIÓN (III)

• Reactores de alta temperatura refrigerados por gas.

Gas: Helio

Combustible: UO2; UO2 – PuO2 (MOX)

• Reactores reproductores rápidos.

Refrigerante: Na, NaK, PB, Pb-Bi

Combustible: UO2; UO2 – PuO2; Nitruros-carburos de U y Pu

• Acelerador – Reactor subcrítico.

Refrigerante: Pb, Pb-Bi

Combustible: UO2; ThO2

METODOS DE PRODUCCIÓN (IV)EL

HID

RO

GEN

O

ALMACENAMIENTO, TRANSPORTE Y DISTRIBUCIÓN (I)

• COMO GAS

Depósitos (Presiones baja o alta)

Absorción en Carbón

Hidrocarburos Líquidos

Adsorción en Carbón Activo

Nanotubos

Formación de compuestos

Li Al H4, Li B H4, Na Al H4, Na B H4, K B H4

Mg H2, Fe Ti H1,7, La NI5 H6, Ba Re H9, Mg2 Ni H2

• COMO LÍQUIDO

Depósitos criogénicos.

ALMACENAMIENTO, TRANSPORTE Y DISTRIBUCIÓN

(II)EL

HID

RO

GEN

O

LA PILA DE COMBUSTIBLE (I)

H2

O2

Apilamiento de varias pilas

Componentes de una pila

Hidrógeno

Oxígeno

Electrodo-catalizador

Electrodo-catalizador

Electrolito

Producción de electricidad, cogeneración

H2S>1ppmNi/Perovskitas750-1050Oxido sólido(Zr02-Y2O3)

De óxido sólido(SO)

Producción de electricidad, cogeneración

H2S>0,5ppmNi/LiNiOx650Carbonatosfundidos(Li,K,Na)

De carbonatofundido (MC)

Producción de electricidad,

Cogeneración,Automoción

CO>1%H2S>50ppm

Pt180-200H3PO4(85-100%)

De ácidofosfórico (PA)

Portátil, automoción

Compuestosintermedios

Pt50-90(< 130)

MembranaDe metanol(DM)

Portátil, automoción

CO>10 ppmPt50-90MembranaDe membrana y cambio de

protón(PEM)

EspacialesCO1 CO2Pt,Ni/NiOx50-250KOH (8-12 N)

Alcalina (A)

AplicacionesVenenosCatalizadorTemperatura, º CElectrolitoPila

LA PILA DE COMBUSTIBLE (II)

ESSENCIAL CHARACTERISTICS OF THE DIFFERENT

TYPES OF FUEL CELLS

Power generation,

cogeneration

Power generation,

cogeneration

Power generation,

cogeneration, transportation

SpacePortable,

transportation

Portable, transporta

tionApplications

H2S > 1 ppmH2S >0.5

ppmCO > 1% H2S >

50 ppmCO, CO2

Adsorbed intermediates

CO> 10 pmm

Poison

H2 and CO reformed and

CH4

H2 and CO reformed and

CH4

H2 (reformed)H2CH3OH

H2(pure or

reformed)Fuel

Ni/Perovskites

Ni/LiNiOXPtPt, Ni/NiOXPtPtElectrocatalyst

O2-CO23H+OH-H+H+Charge carrier

750-1050ºC650ºC180-200ºC

50-250ºC50-90ºC (≤130ºC)

50-90ºCOperating temperature

Solid Oxyde(ZrO2- Y2O3)

Molten carbonates (Li, K, Na)

Phosphoric acid (85% - 100%)

Potassiumhydroxide(8-12N)

Protonexchange

membrane

Protonexchange

membraneElectrolite

SOFCMCFCPAFCAFCDMFCPEMFCCharacteristics

FUELS CELLS COMPARED

Units up to 100 kilowatts have

been demonstrated

Demonstration systems up to 2

megawatts

Commercial systems operating,

most of them 200-kilowatt; an

11-megawatt model has been

tested

Demonstration systems up to 50 kilowatts; 250-kilowatt units

expected in next few years

Status ofdevelopment

Greater than 60Greater than 6040 to 5040 to 50Efficency (%)

Perovskites(Titanate of

calcium)NickelPlatinumPlatinumCatalyst

CeramicStasinless steelGraphite – basedCarbon-basedPrime cellcomponents

Internal orexternal

Internal orExternal

ExternalExternalReformer

Oxygen IonCarbonate IonHydrogen ionHydrogen ionCharge carrier

800-1.000ºC650ºCAround 200ºC80º CelsiusOperatingTemperature

Solid-oxide ceramic

Molten carbonatePhosphoric acidProton-exchangemembrane

Electrolite

TECHNICAL STATUS OF FUEL CELL TECHNOLOGIES

General purposeR&D800-1000MethaneSolid Oxide

General purposeDemonstrated/R&

D650-700Methane

Molten Carbonate

Dispersed utility power

generationDemonstrated200H2Phosphoric Acid

Small unitsDemonstrated/

Commercial100H2 & OxygenSolid polymer

Small units in residences,

transportation and space flights

Commercial80-100H2Alkaline

ApplicationIssues

TechnologicalStatus

OperatingTemperature (ºC)

FuelType ofElectrolyte

COMPARACIÓN DE RENDIMIENTOS

EL H

IDR

OG

ENO

EL H

IDR

OG

ENO