BLOQUE TEMÁTICO I. INTRODUCCIÓN Lección 1. Problemática general de la energía Master en Ingeniería Química Curso 2007/08 Energías Renovables en Ingeniería.

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1 BLOQUE TEMÁTICO I. INTRODUCCIÓN Lección 1. Problemática general de la energía Master en Ingeniería Química Curso 2007/08 Energías Renovables en Ingeniería Química

2 Máster en Ingeniería Química Energías renovables Lec. 1. Problemática general de la energía 2 Lección 1. Problemática general de la energía 1.1 Fuentes de energía y recursos energéticos 1.2 Clasificación de las fuentes de energía 1.2.1 Clasificación general 1.2.2 Fuentes de energía renovables y no renovables 1.2.3 Principales vectores de energía 1.3 Modelo energético actual 1.3.1 Características generales 1.3.2 Recursos energéticos actuales 1.3.3 Consumo energético de la Humanidad

3 Máster en Ingeniería Química Energías renovables Lec. 1. Problemática general de la energía 3 Bibliografía Boletín IDAE: Eficiencia Energética y Energías Renovables (nº8). Instituto para la Diversificación y Ahorro de la Energía (IDAE), Madrid, 2006. BP Statistical Review of World Energy 2004, 2004. Deleage, J.P. y Souchon, C., La Energía.- Madrid: Centro de Publicaciones. Secretaría General Técnica. Ministerio de Obras Públicas y Transportes. 1990. Muñoz Cobo, J.L. et al., Tecnología Energética. Servicio de Publicaciones de la UPV, Valencia, 1998. Direcciones de Internet:  http://www.bp.com/ (Statistical Review of World Energy 2004) http://www.bp.com/  http,//europa.eu.int/comm/dgs/energy_transport/index.html (Dir. Gen. de Energía y Transportes de la UE) http,//europa.eu.int/comm/dgs/energy_transport/index.html  http://www.worldwatch.org/ (World Watch Institute) http://www.worldwatch.org/  http://www.iea.org/ (International Energy Agency) http://www.iea.org/  http://www.worldenergy.org/wec-geis/ (The World Energy Council (WEC)) http://www.worldenergy.org/wec-geis/  http://www.idae.es/ (Instituto para la Diversificación y Ahorro de la Energía) http://www.idae.es/  http,//www.eve.es (Ente Vasco de la Energía-EVE) http,//www.eve.es  http://www.icaen.es/ (Institut Català d’Energia) http://www.icaen.es/  http,//www.cne.es (Comisión Nacional de Energía) http,//www.cne.es  http://www.ree.es/sistema/estadistico/index.html (Red Eléctrica de España) http://www.ree.es/sistema/estadistico/index.html  http,//www.foronuclear.org (Foro de la Industria Nuclear Española) http,//www.foronuclear.org  http://www.argem.es/ (Agencia de Gestión de la Energía de la Región de Murcia) http://www.argem.es/

4 Máster en Ingeniería Química Energías renovables Lec. 1. Problemática general de la energía 4 Prerrequisitos Conocimientos básicos de magnitudes físico-químicas relacionadas con la energía Conocimientos básicos en combustibles Conocimientos básicos en sistemas convertidores y consumidores de energía Manejo de unidades relacionadas con la energía Conceptos básicos de macroeconomía (PIB, renta per cápita, etc.) Conocimientos básicos de contaminación atmosférica

5 Máster en Ingeniería Química Energías renovables Lec. 1. Problemática general de la energía 5 1.1 Fuentes de energía y recursos energéticos 1.1.1 Definiciones Energía: capacidad de producción de trabajo de un sistema. Admite múltiples formas atendiendo a su  principio físico (mecánica, térmica, electromagnética, química, nuclear, etc..),  origen (solar, geotérmica, hidráulica, nuclear, etc.),  estado de transformación (primaria, intermedia, final) Fuente de energía: sustancia o fenómeno natural capaz de suministrar energía utilizable por el ser humano directamente o tras una transformación. Recurso energético: cantidad disponible para uso de una fuente de energía, en función de la mayor o menor facilidad de obtenerla. Reserva energética: recurso energético cuya extracción es económicamente factible. Vector energético: forma de energía de aplicación directa en procesos industriales, de servicios, domésticos, etc.

6 Máster en Ingeniería Química Energías renovables Lec. 1. Problemática general de la energía 6 1.1.2 Fuentes de energía básicas para la Tierra sol: recibe 170000 TW. De éstos  40000 TW se emplea en evaporación de agua  400 TW en la generación de fenómenos climáticos,  40 TW en fotosíntesis.  El resto se refleja. calor interno de la tierra: se manifiesta por vulcanismo y gradiente térmico con la profundidad Se dispone de unos 8 kWh/m2/día para aprovechamiento directo

7 Máster en Ingeniería Química Energías renovables Lec. 1. Problemática general de la energía 7 1.1.3 Principales vectores de energía Vectores: responden a las necesidades energéticas en los distintos procesos  energía térmica  energía mecánica  energía lumínica  energía eléctrica Combustibles  vector industrial/doméstico por excelencia para energía térmica  obtención de energía eléctrica, previa conversión en energía mecánica (motor térmico) o directamente (pilas de combustible) Electricidad  vector clásico para la obtención de energía mecánica (accionamiento de maquinaria) y lumínica (iluminación de locales)  se utiliza directamente en ciertas aplicaciones industriales (electrólisis)  aplicaciones de control (electrónica) y ofimáticas (ordenadores) Otros  vapor  aire comprimido  hidrógeno Ahorro de energía  equipos con más eficiencia  recuperación de flujos secundarios  reducción de pérdidas o disipaciones de energía

8 Máster en Ingeniería Química Energías renovables Lec. 1. Problemática general de la energía 8 1.2 Clasificación de las fuentes de energía 1.2.1 Clasificación general En función de su forma o principio físico: mecánica, radiante, térmica, química, electromagnética, nuclear, etc. En función de la densidad energética, medida en unidad de energía por unidad de masa o volumen  Energía concentrada: carbón, petróleo, gas natural, uranio,… Tienen mayor interés económico de explotación.  Energía difusa: las renovables. Deben ser concentradas o recolectadas para poder ser explotadas económicamente En función de la velocidad de formación, medida con referencia a la escala de vida humana  Renovables: velocidad constante y significativa  inagotables. Difusas  No renovables: velocidad lenta. Concentradas En función de la cantidad utilizable de un flujo energético  Bruta: cantidad total  Neta: la bruta menos la requerida para su renovación y utilización

9 Máster en Ingeniería Química Energías renovables Lec. 1. Problemática general de la energía 9 1.2.2 Fuentes de energía renovables y no renovables Renovables  Energías derivadas de la energía radiante del sol  directa : energía solar térmica (pasiva o activa) o fotovoltaica  mediante convertidores  climáticos: hidráulica, eólica, olas, etc.  biológicos: biomasa  Calor interno de la Tierra: geotérmica  Gravitacional: mareomotriz (aprovechamiento de la acción de las mareas – también generada por la atracción de la Luna) No renovables :  Química: fósiles o de transformación de éstos Sólidos: carbón, coque, etc. Líquidos: petróleo y derivados Gaseosos: gas natural, GLP (gases licuados del petróleo), gases artificiales (manufacturados)  Nuclear: “combustible” nuclear (uranio, plutonio, etc.) Residuos (renovables y no renovables):  Residuos Sólidos Urbanos (R.S.U)  Residuos industriales (neumáticos, disolventes, etc.)

10 Máster en Ingeniería Química Energías renovables Lec. 1. Problemática general de la energía 10 1.3 Modelo energético actual 1.3.1 Características generales  Uso masivo de combustibles fósiles (petróleo y gas natural) y electricidad  Oligopolio en los sectores petrolero y eléctrico  Energía eléctrica generada en grandes centrales a relativa distancia de los centros de consumo  Alto nivel de consumo energético en sociedades industrializadas  Incipiente toma de conciencia de los efectos adversos del consumo de la energía (p.e. cambio climático)

11 Máster en Ingeniería Química Energías renovables Lec. 1. Problemática general de la energía 11 1.3 Modelo energético actual 1.3.2 Recursos energéticos actuales En los últimos años se están produciendo los primeros síntomas de agotamiento de las reservas petrolíferas. Las reservas de petróleo se concentran en Oriente Próximo (65% del total). Las europeas no alcanzan el 2% (casi la mitad, en Noruega). Las reservas de gas natural están más distribuidas; en la ex-URSS se concentra el 40% del total; Europa sólo alcanza el 4%. Reservas energéticas actuales por fuentes (b). (fuente: BP Statistical Review of World Energy 2004) La carencia europea en combustibles fósiles lleva a diversificar las fuentes de abastecimiento, promover la utilización de fuentes renovables y poner en marcha planes de ahorro y eficiencia energética.

12 Máster en Ingeniería Química Energías renovables Lec. 1. Problemática general de la energía 12 1.3.2 Recursos energéticos actuales (2) PaísReservas (miles de millones de barriles) Arabia Saudí245 Suramérica125 Resto Oriente Próx120 Irak100 Irán90 Kuwait90 Europa75 África60 Asia45 Norteamérica40 Total990 Reservas energéticas actuales por localización. (fuente: El Pais, 27/09/05) En 2006 los nuevos recursos descubiertos fueron inferiores al consumo  las reservas de crudo empezaron a descender

13 Máster en Ingeniería Química Energías renovables Lec. 1. Problemática general de la energía 13 1.3.3 Histórico de los precios del crudo Los precios del crudo han sufrido una constante variación en los últimos 30 años, habiendo alcanzado valores nominales históricos en 2006, aunque en $ constantes su máximo se produjo a finales de los 70. Causas:  Creciente escasez  Demanda creciente de países emergentes (China, India, Brasil, etc.)  Inestabilidad geopolítica en las áreas con mayores reservas (Oriente Próximo) El desarrollo de las energías renovables ha estado en los últimos años vinculado directamente a los precios del crudo:

14 Máster en Ingeniería Química Energías renovables Lec. 1. Problemática general de la energía 14 1.4 Consumo energético de la Humanidad 1.4.1 Introducción histórica  Consumo del ser humano prehistórico : cazadores-recolectores; alimentación y calefacción  consumo  8 MJ/día  Dos grandes hitos en la utilización de la energía: Revolución neolítica (3000 a.J.C.): agricultura y ganadería, ciudades…  consumo:  40 MJ/día  satisfecho con energías renovables (tracción animal, madera, molinos hidráulicos, vela… ) Revolución industrial (siglo XIX): fuerte desarrollo de la industria y transporte, mejora de condiciones de vida  consumo actual en sociedades industriales desarrolladas  1000 MJ/día  uso masivo de combustibles fósiles, máquinas térmicas, electrificación…

15 Máster en Ingeniería Química Energías renovables Lec. 1. Problemática general de la energía 15 1.4.2 Consumos energéticos actuales Consumo mundial de energía por fuentes Hasta 1980 el consumo se triplicó en treinta años; en los treinta siguientes se espera que prácticamente se duplique  el crecimiento se ha ralentizado. El petróleo sigue siendo la fuente de energía más importante; el carbón, que perdió el primer lugar en la 2ª mitad del siglo XX, mantiene su importancia relativa y el gas natural ha ido incrementando su participación hasta situarse en niveles del mismo orden que las otras fuentes fósiles. Las energías renovables y la energía nuclear poseen una cuota significativa y de orden parecido El consumo actual total es del orden de los 10 Gtep/año.

16 Máster en Ingeniería Química Energías renovables Lec. 1. Problemática general de la energía 16 1.5 Estructura del consumo energético en España 1.5.1 Balance general por fuentes Predominio del petróleo (49%) y gas natural (20,9%); el primero a la baja, a costa del auge del segundo. Carbón y nuclear, estabilizados. Fuerte dependencia exterior: carbón y renovables, únicos recursos autóctonos En comparación con Europa …  Mayor peso del petróleo y menor del gas natural, nuclear y carbón.  Aceptable papel de las EE.RR. (6,8% en 2006), aunque creciendo lentamente.  Objetivo UE: en 2010 las EE.RR. cubran el 12% de la demanda total de energía y el 20% de la energía eléctrica.  las fuentes renovables de mayor importancia son la biomasa (42,6%) hidráulica (23,5%) y eólica (19%)  en los últimos años destaca el auge en eólica. Los consumos españoles, aunque inferiores a la media de la UE (2004), presentan un crecimiento mayor al de ésta, por transporte, servicios y sector residencial.

17 Máster en Ingeniería Química Energías renovables Lec. 1. Problemática general de la energía 17 1.5.2 Consumo energético por sectores El transporte es el sector más consumidor Las familias españolas somos responsables de 1/3 del consumo total de energía, correspondiendo  15% al uso del coche  17% a los usos domésticos Calefacción......................... 63% Agua Caliente Sanitaria...... 27% Iluminación......................... 10% Consumo energético por sectores de España en 2004 (IDAE)

18 Máster en Ingeniería Química Energías renovables Lec. 1. Problemática general de la energía 18 Consumo del sector industrial  Uno de los subsectores industriales más consumidores es el químico (14,3% en 2004) Por vectores  el uso de combustibles supera ampliamente a la electricidad  el gas natural ha ganado cuota, aunque dista de otros países europeos  importante auge de la cogeneración para la provisión de energía térmica y eléctrica 1.5.3 Consumo en España en el sector industrial

19 Máster en Ingeniería Química Energías renovables Lec. 1. Problemática general de la energía 19 1.6 Energía y nivel de desarrollo 1.6.1 Consumo energético per cápita Se define como el consumo total de energía primaria de un país dividido por su población. Existe una relación entre calidad de vida y consumo energético per cápita, aunque no es directamente proporcional  en Europa y OCDE, en general, no se esperan grandes crecimientos  en los países en vías de desarrollo es previsible (y deseable) que aumente No se espera un crecimiento del consumo mundial per cápita por  aumento de la eficiencia  costes crecientes de la energía Altos precios de la energía deteriorarán la calidad de vida del Tercer Mundo al no poder pagarla

20 Máster en Ingeniería Química Energías renovables Lec. 1. Problemática general de la energía 20 1.6.2 Energía y desarrollo humano El nivel de desarrollo humano está ligado, en general, a un mayor consumo energético, aunque no de forma proporcional. En los países menos desarrollados pequeños aumentos en el consumo de energía producen importantes mejoras en el desarrollo económico y social, pero a partir de determinado nivel de riqueza, consumir más energía ya no aporta mejoras sustanciales en el desarrollo humano.  Etiopía presenta valores mínimos en ambas coordenadas  Holanda, Japón y Canadá presentan prácticamente en el mismo nivel de desarrollo y en cambio consumen cantidades de energía muy diferentes.  a partir de cierto nivel, las diferencias ya no indican desarrollo, sino tal vez sólo un mayor confort o, simplemente, despilfarro. En la base de la pirámide hay muchos países pobres y otros llamados emergentes (China, India, Brasil o México), que suman la mayor parte de la población del planeta y que pugnan por mejorar su desarrollo; tienen fuertes expectativas de crecimiento y también de demanda energética. Un chino gasta 1,9 barriles de petróleo al año, un europeo 12 y un norteamericano 25. En el mundo todavía hay 1.600 millones de personas que no tienen acceso a la electricidad.

21 Máster en Ingeniería Química Energías renovables Lec. 1. Problemática general de la energía 21 1.7 Impacto ambiental de la energía 1.7.1 Origen y transcendencia del problema El deterioro del medio ambiente (MA) está asociado al consumo de energía desde su origen. Su crecimiento va paralelo al desarrollo de la industria y del transporte. La concienciación social aparece en los años 60 en ciudades como Los Angeles o Londres (smog). Todas las actividades relacionadas con el uso de la energía (extracción, transporte, transformación, generación y consumo) generan impacto medioambiental sobre el sistema ecológico. Los efectos se extienden en muchos casos a escala mundial: son los más preocupantes. Los efectos son acumulativos y prácticamente irreversibles  hay que minimizar y reducir el tiempo de respuesta ante las agresiones. Actualmente es uno de los grandes condicionantes del sistema energético  limitaciones legales  costes de explotación (medidas correctoras)  inversiones en I+D

22 Máster en Ingeniería Química Energías renovables Lec. 1. Problemática general de la energía 22 1.7.2 Fuentes de contaminación Las formas de contaminación dependen de las fuentes de energía utilizadas. El modelo energético actual está basado en gran medida en el consumo de combustibles fósiles (carbón, petróleo, gas natural), para  la utilización del calor desprendido en la combustión  la generación de energía eléctrica (centrales térmicas)  la generación de energía mecánica (vehículos de transporte). La combustión de combustibles fósiles libera a la atmósfera CO2 y un conjunto de contaminantes como dióxido de azufre (SO2), óxidos de nitrógeno (NOx), monóxido de carbono (CO) y partículas en suspensión. El CO2 se considera contaminante desde no hace mucho tiempo: no es tóxico, pero sus efectos son globales (efecto invernadero) y su producción es actualmente casi proporcional al consumo de energía, y muy difícil de reducir. El transporte es el responsable en España del 60% del impacto ambiental, aunque supone el 35% del consumo energético, debido a la peor eficiencia de los motores alternativos.

23 Máster en Ingeniería Química Energías renovables Lec. 1. Problemática general de la energía 23 1.7.3 Formas de impacto ambiental de la energía Efectos globales o severos El dióxido de carbono (CO2)  efecto invernadero/cambio climático Emisiones ácidas (SO2, NOx...)  lluvia ácida Contaminación radiactiva Compuestos cloro-flúo-carbonados (CFC)  destrucción de la capa de ozono Impacto ambiental localizado grave derrames de crudo en el transporte marítimo o terrestre efectos sobre el suelo y subsuelo, principalmente de la minería del carbón transformación del medio y ocupación de suelo para la centrales hidroeléctricas Otras formas de impacto ambiental: emisiones de partículas o ciertas sustancias cancerígenas (COV, PAH, etc.), CO y hollín en las ciudades, ruido de automóviles y aviones, ocupación de territorio y obras públicas de infraestructura, radiación electromagnética, etc. Consumo de materias primas combustibles fósiles: algunos, fundamentalmente el petróleo y el gas natural, prácticamente desaparecerán en un siglo, siendo como son un producto de extraordinaria riqueza y aplicaciones agua, aunque en menor medida, también es importante, por la transcendencia de este recurso