Económicos y ambientales
aspectos de la Energía
Mirna Urquidi-Macdonald
The Pennsylvania State University
College of Engineering
Department of Engineering Sciences and Mechanics
Univesrity Park, PA 16802
Presentada a
CATEDRA FULBRIGHT-UNINORTE 2010
Agosto -26 de 2010
Universidad del Norte
Barranquilla, Colombia159
¿INMINENTE TRAGEDIA?
El mundo está usando gasolina a un ritmo de 86 millones de
barriles/dia, solo descubrimos 80% de esa cantidad! Estamos
gastando reservas a un ritmo insostenible.
Energía barata es un "principio vital" de las Naciones. Sin él,
pocos países en desarrollo será capaces de alcanzar un nivel de
vida que es comparable a la de US.
El mundo necesita otra fuente de energía primaria que es
geográficamente uniformemente distribuida. Esta nueva fuente
debe reconocer las limitaciones impuestas por el cambio
climático y el impacto ambiental así como el precio de producir
ese nuevo tipo de energía.
160
Predicando a las Naciones en desarrollo que debe restringir su
demanda de energía no funcionará, debido a su deseo de mejorar
sus niveles de vida.
161
Perspectivas para el futuroSuministro de petróleo es una función muy elástica del precio.
Si el precio es suficientemente alto (> 100 $ / barril), fuentes "no
convencionales" (p. ej., petróleo en bancos arenosos en Athabasca, Alberta,
Canadá y de arenas condensadas en USA) son estimados de contener 1.6
billones de barriles -3 veces las reservas del Oriente).
El precio no es el problema!
Suministro no es el problema!
Abundancia de Petróleo convencional barato ("crudo ligero dulce" es un
problema!)
Distribución es un problema!
Gases que producen el efecto invernadero – eso es un problema!
162
Generación de electricidad actual
163
Porque necesitamos cambiar el por
ciento de utilización de energías basadas
en petróleo, gas y carbón?
Reservas de petróleo, gas, y carbón barato, se estan agotando
La controversia de calentamiento terrestre debido a las
emisiones de CO2 fósiles
Independencia económica del los países
Aumento del consumo de energía
164
Calentamiento global Uno de los temas más polémicos que actualmente enfrenta a
la humanidad.
Evidencia muestra que todo los planetas del sistema solar
han sufrido aumento de temperatura recientemente y que la
temperatura en la historia del mundo ha sido cíclica.
A que se debe el calentamiento y si se puede hacer algo? es el
calentamiento debido a la actividad solar o la producción
adicional de CO2? podemos permitirnos tomar el riesgo de no
hacer nada?
165
Temperature global
166
History of Climate Change
167
¿Qué causa el calentamiento global? El efecto de invernadero – "Gases de efecto
invernadero" no permitan que la radiación infrarroja
escapar de la atmósfera
168
¿Qué es un gas de
efecto invernadero?
Cualquiera molécula que bloquea la radiación infra-roja de salir de la
atmósfera creara el efecto de invernadero:
Dióxido de carbono (en aumento debido al incremento en producción de
energía)
Vapor de agua (en aumento debido al aumento en población)
Óxido nitroso (en aumento debido al incremento en producción de energía)
Metano (en aumento debido al incremento en producción de energía)
Son todos elementos naturales…so… ¿por qué el alboroto?
169
170
171
172
Posibles consecuencias del
calentamiento global
Se levantara en el nivel del mar
debido a la expansión térmica
Fusión de los casquetes de hielo,
disminuyendo el area polar
El secado de suelos
Pérdida de la biodiversidad de la
tierra
173
¿Qué hacemos mientras esperamos
que esto ocurra?
La ciencia asegura que ha habido
un aumento en la temperatura de
acerca de 0.5 de un grado C
durante los últimos 100 años .
La evidencia sugiere que el
calentamiento global
antropogénico (hecha por el
hombre), pero no hay ninguna
prueba indiscutible de esto.
174
Si CO2 no impacta el calentamiento
terrestre, porque cambiamos nuestro
sistema de producción de energía?
Ser energía independientes
Tener a nuestra disposición la energía barata necesaria para
mantener y aumentar nuestro nivel de vida
Asegurarnos de un país y mundo limpio
175
¿Energías Renovables – son una opción real?
Energías solar eólica (pasiva y activa),
marea y la biomasa son Potencialmente,
un gran recurso.
Problemas incluyen el costo, la huella
terrestre, la ubicación geográfica no
coincidiendo con la demanda (problema
de red de distribución), y la aceptación
del público (energía nuclear).
176
Algunos asuntos importantes¿Cuáles son nuestras necesidades de energías – aumento en espiral del
consumo o ser mas cauteloso estimando el uso de energía?
¿Lo que necesitamos en el futuro?
¿Cuáles son nuestras fuentes de energía actual?
¿Cómo conseguir lo que necesitamos?
¿Qué es la combinación más adecuada de energía (costo versa medio
ambiente- encontrar un compromiso)
¿Cuál energía elegir?
¿La fisión y la fusión nuclear, son una opción?
¿Por qué nos preocupamos?
177
Disponibilidad Mundial de
Energías Renovables
178
SOLAR
Conversión Térmica:
Las eficiencias de conversión es baja, alta inversión de la
infraestructura, gastos de mantenimiento de limpieza,
lejanías de la red eléctrica y confiabilidad de la producción
son los principales problemas que hacen la energía solar de
conversión térmica cara y no competitiva.
Conversión Directa:
Solar fotovoltaica mantiene considerable promesas como
una forma relativamente eficiente de convertir la energía
radiante incidente en electricidad.
179
180
181
182
Disponibilidad media de la energía solar por región en Colombia
RegiónKilowatio por hora por metro
cuadrado por año (KWh/m2/yr)
Guajira 2,190
Costa Atlántica 1,825
Orinoquía 1,643
Amazonía 1,551
Andina 1,643
Costa Pacífica 1,278
Nota: Eficiencia de conversión no ha sido tomada en consideración
183
Energia EoliocaRecursos importantes en todo el mundo.
Avanzados parques eólicos producen electricidad a 5 centavos US
por kWh. Promedio cerca de 10 centavos US por kWh
costo inicial de $ 1000-$ 1450 US por kW.
Ejemplo: planta de viento de Big Spring de 34-MW en Texas - costo
de capital de 40 millones de dólares= $ 1177/kW.
Ubicación de recursos relativa a la red eléctrica del país es alejada –
pérdidas y costo elevado de transmisión.
6% del territorio de los Estados Unidos pertenece a las clases de
energía eólica superior
184
Energia Eolica
Se predice un aumento de 3,000 MW de capacidad eólica en los
próximos 5 años.
U.S. Departamento de energía tiene como objetivo – 5% de la
electricidad producida en U.S. del viento en 2030.
Aplicación para generación de electricidad de suplementos,
especialmente en las regiones de alta demanda como California
185
186
Un sueno hecho realidad?
188
Bio-combustibles en historia
Primero introducido en Estados
Unidos por Henry Ford en 1908.
Modelo T automóvil fue
diseñado par usarse con etanol.
Los precios de maíz altos y la
disponibilidad de petróleo
barato, en 1908, finiquito el
proyecto.
189
190
La realidad………
Algunas
conversiones
típicas CosechaYield
L/ha US gal/acre
Alga ~3,000 ~300, 1500-3000
Chinese tallow 907 97
Palm oil 4752 508
Coconut 2151 230
Rapeseed 954 102
Soy (Indiana) 554-922 59.2-98.6
Cacahuate 842 90
Sunflower 767 82
Heno 242 26
191
Poder potencial eólico en regiones de la costa Atlántica de
Colombia, 10 m de altura
LugarPoder eólico en kilowatio por hora por
metro cuadrado por año (kWh/m2/yr)
Cabo de la Vela 3,043
San Andrés 2,182
Providencia 1,727
Rioacha 829
633
587
Nota: La eficiencia de conversión no ha sido considerada
192
ENERGÍA MAREOMOTRIZ
Cada turbina produce un
pico de salida de 300 kW,
por lo que más de 3300
turbinas se necesitarían
para que coincida con la
salida de una potencia de
nuclear de MW(e) de 1000
moderna planta.
Los principales problemas
son el costo, la vida de la
planta y el mantenimiento.193
Instalación de la turbina submarinos 300 kW (2,5
m/s) Kvalsundet en Noruega.194
Annaopolis River, Canada. Emplea
turbinas comunes (7.6 m in diameter) y
genera mas de 30 million kilowatt-hours
de electricidad anuales, suficiente para
4500 hogares.
http://collections.ic.gc.ca/western/tidal.h
tml
195
Ciudad Flotante (Hipotéticas)Población: 100.000 personas, 25.000 hogares.
Masa total = 108 toneladas = 1011 métricas kgm.
Marea de auge y caída = 7 (m) x 6 (veces al día) = 42(m).
Energía por día = 1011(kg)x9.8(m/s2)x42(m) = 4.12x1013
(kg.m2/s2) = 4.12x1013 (J) = 1.14x107 (kW.hr).
Hogar promedio utiliza unos 18 kW.hrs/day – la energía
disponible es 25 veces utilizado por la familia promedio!!!!
"El exceso de energía" podría utilizarse para el transporte,
alumbrado, desalinización de agua, instalaciones de
esparcimiento, etc.) o podría ser vendido a otra ciudad.
Si no le gustan los impuestos locales del condado base, tire
hacia arriba el anclaje y mover a una ubicación mejor!
196
Energía semi- renovable
• Hidroeléctricas
• Geotérmica
• Nuclear
197
Hydroelectrica
• Se denomina energía hidráulica
o energía hídrica a aquella que
se obtiene del aprovechamiento
de las energías potencial del agua
y saltos de agua.
198
199
200
Hidroeléctricas en ColombiaColombia tiene un potencial estimado de 25.000 MW (20 MW) de pequeña
hidroelectricidad.
Proyectos hidroeléctricos en construcción hasta el 2010
Proyecto Capacidad en megawatios (MW)
Calderas 26
Trasvase Guarino - -
Amoyá 80
Manso 27
Porce III 660
Quimbo 400
).
201
202
Geotermia
203
Potencial de fuentes principales de energía geotérmica en
Colombia
Area Departmento Potencial
Chiles-Cerro Negro Nariño Alto
Azufral de Túqueres Nariño Alto
Doña Juana Nariño Desconocido
Grupo Sotará Desconocido
Puracé Desconocido
Machía Huila Alto
Cerro Bravo Nariño Alto
Nevado del Ruiz-Santa Isabel Caldas Alto
Geotermia
204
Que es la Energia Nuclear?• Conversión de masa en energía:
• Obtención de la energía contenida en
inestables átomos pesados que se
encuentran naturalmente en la tierra
(Fission).
• Obtención de energía por medio de
síntesis nuclear (Fusión, copiando a
las estrellas).
• Enorme fuente de energía –
Suficiente para dar al mundo toda la
energía que necesita por una
eternidad (si es que duramos eso!).
¿Los procesos que pueden hacerse para
convertir la masa en energía? ¿Con qué
eficacia? 205
206
Principales sitios donde se encuentran yacimientos de átomos
pesados (Uranio) y lugares donde existe producción de energía
por medios nucleares
207
208
Riesgos de radiación
La exposición de 3-millirem (medida de radiación) tiene la misma probabilidad
de muerte — 1 en un millón — como los siguientes ejemplos:
•Vacacionar 2 días en New York City (debido a la mala calidad del aire
respirado)
•Correr en una motocicleta 1 milla o 300 millas in un carro (considerando el
riesgo de choque)
•Comer 40 cucharaditas of crema de mani (cacahuate) (porque el cacahuate
contiene aflotoxin)
•Comer 10 steaks a mitad carbonizados (contiene aflotoxin)
•Fumar 1 cigarrillo
209
210
211
Natural resources:
petroleum, natural gas, coal,
iron ore, nickel, gold, copper,
emeralds, hidroelectricas
Area:
total: 1,138,914 sq km
country comparison to the world: 26
land: 1,109,104 sq km
water: 100,210 sq km
nota: incluye Isla de Malpelo, Roncador Cay, y Serrana Bank
Recursos Naturales de Colombia
212
Electricidad - producción:
500 billion kWh/año (2007 est.)
País vs el mundo : 48
Electricidad - consumo:
386 billion kWh/año (2007 est.)
País vs el mundo : 53
Electricidad - exportaciones:
8767 millón kWh/año (2007 est.)
Electricidad - importe:
3940 millón kWh/año (2007 est.)
213
Oil - producción:
686,600 bbl/day (2009 est.)
País vs el mundo: 28
Oil - consumo:
288,000 bbl/day (2009 est.)
País vs el mundo : 43
Oil - exporta:
294,000 bbl/day (2008 est.)
País vs el mundo : 41
Oil - importa:
16,540 bbl/day (2007 est.)
País vs el mundo : 122
Oil – Reservas aseguradas:
Natural gas - producción:
9 billion cu m (2008 est.)
País vs el mundo : 42 214
Natural gas - consumo:
8.1 billion cu m (2008 est.)
País vs el mundo : 52
Natural gas - exporta:
900 millón cu m (2008 est.)
País vs el mundo : 36
Natural gas - importa:
0 cu m (2008 est.)
País vs el mundo : 191
Natural gas – reservas garantizadas:
105.9 billion cu m (=13 año solamente) (2009 est.)
País vs el mundo : 51 215
216
Comparando diferentes tipos de
energía
217
Cuanta energía se consume en el mundo,
por país? En millones de kWh
218
219
Carbon versus Nuclear – Potencia &
Desechos por dia
220
Mass Conversion Efficiencies
Fuel Energy
(kW.hr)
Converted
Mass (µg)
%
Conversion
1 bbl. oil 576 23 1.64x10-8
1 ton coal 2,297 92 0.92x10-8
100 ft3 CH4 12 0.48 2.37x10-8
1g 235U92 24,000 929 0.093
2D1+3T1 98,065 0.019428u 0.38
221
Energías disponibles y su densidad
222
223
Tipo de Energia Cents per kWh Costo mensual por
hogar
Nuclear 7.0¢ $87.50
Coal 7.1¢ $88.75
Natural Gas 7.8¢ $97.50
Geothermal 9¢ $112.50
Petroleum 10.6¢ $132.50
Wind 11.4¢ $142.50
Biomass 11¢ $137.50
Solar -- Thermal 21¢ $262.50
Solar - Photo
Voltaic
1.11 $1,387.50
*In assessing the economics of nuclear power, decommissioning and
waste disposal costs are fully taken into account.
** In assessing the economics of coal and gas, CO2 sequestration has
been taken in consideration
224
Donde se gasta el dinero dedicado a investigación en
US?
225
Foot print
226
MJoules/gramo de x gramos-equivalente de energía solar
usados para dar energía a un carro. Que tan lejos el carro
iria? El carro se movería 3.6 pies.
Ryan Leaf . Leaf is llamado el peor quarterback en la historia
de la NFL
Comparando
Energía y Potencia
227
Amount x of coal: - 33 ft
MJoules/gramo de x gramos-de crudo usados para dar energía a un carro.
Que tan lejos el carro iría? El carro se movería 42 pies. Virginia Tech
football sabe que 42 yardas no es muy lejos
228
MJoules/gramo de x gramos-de uranio
no procesado usados para dar energía
a un carro. Que tan lejos el carro iría?
El carro se movería cerca de 108
millas.
229
MJoules/gramo de x gramos-
de uranio procesado usados
para dar energía a un carro.
Que tan lejos el carro iría? El
carro se movería cerca de 700
millas (3,700,000 ft).
230
231
Y entonces………Cual es
la solución?
232
Disponibilidad
Proyección de desarrollo y necesidades de energía a largo plazo
Costo presente de infraestructura y de futuro mantenimiento
Disponibilidad a la red y fiabilidad del sistema
Vida de la planta
Aceptación social de la planta
233
La decision es nuestra….
234
Principales Referencias de
Información usadas:
•IAE (International Energy Agency) : A better World Economy
•OECD : a better World Economy
•CIA: Intelligence
•DOE: Department de Energy
•Areva : European (Germany-France) Nuclear, Solar, and Wind
Energies company
•Wikiedia
•National Academies (Advise to US Government where R&D funds
should be spend)
•American Wind Energy Association
•American Solar Energy Association
•Mi esposo Prof. Digby D. Macdonald
Nota: Algunas graficas se copiaron del web site sin autorización de los
autores o organizaciones. Publicación restringida solamente.
235
IAE
(Agencia
Internacion
al de
Energia)
miembros
236
Organization for Economic Co-
operation and Development (OECD)
237
Any Questions……?
238
Any more questions?
239
Mil Gracias por su Atencion
240
