estructura energÉtica mundial

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Auditora y Eficiencia Energtica

UNIDAD I

ESTRUCTURA ENERGTICA MUNDIAL

1.

CONCEPTOS FUNDAMENTALES LA ENERGA Qu es la energa? Se puede concebir como el nivel de capacidad que tiene un cuerpo en un determinado instante para realizar un trabajo. Una ley fundamental enuncia que la energa no se crea ni se destruye, nicamente se transforma. Esto significa que, la suma de todas las energas sobre una determinada frontera siempre permanece constante. Existen fuentes primarias, es decir, recursos naturales susceptibles de aprovechamiento energtico. Como algunos de estos recursos no pueden emplearse directamente, son necesarios operaciones de transformacin hasta obtener energas finales aptas para su utilizacin por el usuario final de la cadena energtica. En todos los eslabones de la cadena: extraccin de los recursos naturales, transporte, transformacin en algunos casos, distribucin del producto y consumo final, hay prdidas de energa o utilizacin de la misma para transformarla en otra, con un rendimiento interno. Como consecuencia, menos de la tercera parte de la energa contenida en los recursos naturales es aprovechable por el usuario final, aunque este porcentaje vara mucho segn las distintas fuentes primarias y aplicaciones energticas. ENERGA PRIMARIA Son las que proceden de fuentes naturales que pueden ser utilizadas directamente, como es el caso del carbn, petrleo bruto, gas natural, energa hidrulica, nuclear y las llamadas energas renovables nuevas energas, que engloban la solar, elica (viento), biomasa (residuos), geotrmica (calor del subsuelo), etc. La energa hidrulica es tambin renovable aunque habitualmente slo se incluyen en este grupo los pequeos aprovechamientos (menos de 5MW de potencia instalada).

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ENERGA SECUNDARIA Son las obtenidas a partir de la transformacin de fuentes naturales, son muy numerosas y se agrupan asocindolas a las fuentes de que proceden. La utilidad final puede deberse al contenido energtico del producto, siendo las principales: Carbones Uso directo: Hulla trmica, hulla siderrgica; antrancita; lignito negro, lignito pardo. Productos de transformacin: coque siderrgico; gas de coquera; gas de horno alto; alquitranes, breas, otros productos qumicos. Petrleo Uso directo: Es muy raro, solo existe en crudos muy pesados que no se destilan y se emplean directamente como un fuel oil. En ocasiones, los yacimientos de gas natural contienen un pequeo porcentaje de condensados de Gan Natural; Gases Licuados de Petrleo (Butano y Propano) que pueden aprovecharse directamente. Productos de transformacin: GLP; gasolinas, naftas para la industria petroqumica, lubricantes, asfaltos; parafinas; disolventes y otros productos qumicos. Gas Natural Uso directo: Gas natural. Productos de transformacin: El gas natural slo se transforma como fuente de obtener Hidrgeno, que es una materia prima de la industria de fertilizantes y otras. Hidrulica y Nuclear Se emplea en la generacin de energa elctrica, la primera como aprovechamiento directo en los embalses hidroelctricos y la segunda mediante la transformacin en electricidad de la energa derivada de la fisin del uranio. Energas renovables Tiene un aprovechamiento trmico directo de la energa solar, la biomasa y la geotrmica para la generacin de electricidad.

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ENERGA UTIL Es la energa de uso final es decir, la que se utiliza como la luz, el calor, la energa qumica en una batera, etc. 2. UNIDADES ENERGTICAS Las caractersticas fsico-qumicas de cada fuente o producto energtico son muy dispares, por lo que en el anlisis econmico, adems de las unidades de peso o volumen habituales, es preciso utilizar unidades de medida que permitan realizar comparaciones homogneas entre ellos, sumar el consumo energtico total de un sector econmico o pas, etc. Para ello se utiliza el poder calorfico estndar de cada fuente o producto, traduciendo sus unidades fsicas a unidades trmicas equivalentes, usando coeficientes de paso comnmente aceptados. Estos coeficientes se derivan de poderes calorficos que no siempre son reales, sino estndares medios asumidos como vlidos para el anlisis econmico. Los coeficientes de pasos ms utilizados son los de la metodologa de la Agencia Internacional de la Energa (AIE-OCDE) y de EUROSTAT (Oficina Estadstica de la Unin Europea). Ambos organismos expresan sus balances de energa en unidad comn que es la tonelada equivalente de petrleo (tep). Una tep se define como 107 Kcal. Carbn: El paso a tep se hace utilizando los poderes calorficos inferiores reales si es posible, en su defecto, ambos Organismos utilizan estndares. Petrleo: El paso a tep se hace utilizando los coeficientes estndares que se indican para cada producto. Los empleados por la AIE y EUROSTAT son distintos. Gas: Tanto para AIE como para las EUROSTAT, el paso a tep se hace utilizando el coeficiente estndar de: 1 milln de termias PCS (Gcal PCS) = 0,09 tep. Energa hidrulica: Su conversin a tep se hace en base a la energa contenida en la electricidad generada, es decir, 1 MWh = 0,086 tep. Energa nuclear: Su conversin a tep se hace considerando un rendimiento medio de una central nuclear (33%), por lo que: 1 MWh = 0,086/0,33 = 0,2606 tep. Electricidad: Su transformacin a tep se hace con la equivalencia: 1 MWh = 0,086 tep.

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Valores estimados (Tep/Tm) CARBN Generacin elctrica: Hulla Antracita Lignito negro Lignito pardo Hulla importada Coquera Hulla Resto usos Hulla Antrancita Coque metalrgico

Coeficiente estndar PRODUCTOS PETROLIFEROS AIE 1,019 1,080 1,150 0,960 1,130 1,070 1,065 1,035 0,960 1,075 0,960 0,960

(Tep/Tm) EUROSTAT 0,994-1,022 1,015 1,194 0,955 1,099 1,051 1,027 1,010 0,955 1,051 0,750 0,900

0,5109 0,4562 0,2957 0,1739 0,5851

0,7230

0,6060 0,6110 0,7195

Petrleo crudo Condensados de gas natural Gas de refinera Fuel de refinera G.L.P Gasolinas Keroseno aviacin Gasleos Fuel-oil Naftas Coque de petrleo Otros productos

GAS NATURAL (Tep/GCal P.C.S) ELECTRICIDAD (Tep/MWh) HIDRULICA (Tep/MWh) NUCLEAR (Tep/MWh)

0,090 0,086 0,086 0,2606

0,090 0,086 0,086 0,2606

Tabla 1 Coeficientes de paso a toneladas equivalente de petrleo (tep)

3.

SITUACIN ENERGTICA Y PROGRAMAS DE AHORRO DE ENERGA EN EL PER (Tomado del libro Eficiencia Energtica, PAE - Ministerio de Energa y Minas - Per) A continuacin se dar un panorama de la situacin energtica del mundo y del Per. DCADA DEL 70: CRISIS ENERGTICA En Octubre de 1973, la Organizacin de Pases Exportadores de Petrleo (OPEP), por motivos polticos, ms que por razones de estructura de costos, decidi incrementar el precio de este insumo desde 1.6 dlares el barril a casi 10 dlares, lo que origin una gran crisis econmica a nivel mundial produciendo inflacin y recesin en todos los pases, principalmente en los pases importadores de petrleo1. Esto oblig, a los pases desarrollados a reflexionar sobre la posibilidad de sustituir al petrleo con otras fuentes de energa, ya que no queran depender de este vital insumo debido a que la mayor parte de las reservas mundiales se encontraban en el Golfo rabe2.

1 2

El libro de la Energa. Forum Atmico Espaol. 1987. U.S. Energy 1995. The 9th. Annual Assesment of United States Energy Policy. USEA 1995.

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Figura 1 Reservas mundiales de petrleo - 1995 (billones de barriles)

Debido a ello, los pases desarrollados analizaron diferentes alternativas energticas con el objetivo de diversificar sus fuentes de suministro energtico. Entre las alternativas que se evaluaron estuvieron: A. La utilizacin de las energas renovables como la solar y la elica. Desde luego, ya en ese entonces, ambos tipos de energa eran tcnicamente factibles de ser utilizadas, sin embargo no lo eran econmicamente sobre todo para la produccin de energa a gran escala. No obstante, decidieron intensificar las investigaciones tecnolgicas para que en el largo plazo, este tipo de energa fuera econmicamente competitiva. La energa nuclear. Este tipo de tecnologa era reciente y se vena utilizando desde la dcada del 60 para producir electricidad, sin embargo tena la ventaja de producir energa en grandes cantidades y a un costo ms bajo que el proveniente de las plantas trmicas que funcionaban con petrleo. Por esta razn, la mayor parte de los pases desarrollados, decidieron iniciar programas nucleares intensos con la finalidad de construir centrales nucleares para diversificar y asegurar su abastecimiento de energa. En 1998, en promedio ms del 16% de la energa elctrica consumida a nivel mundial provino de plantas nucleares. En Europa, el pas ms representativo es Francia cuya demanda es cubierta en un 75% por sus centrales nucleares, mientras que otros pases como Japn cubren el 35% de su demanda con este tipo de plantas3.

B.

C. Programas de Ahorro de Energa. Paralelamente se lleg a la conclusin que se poda mantener el mismo nivel de calidad de vida y3

Nuclear Espaa N 186 Mayo 1999.

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mantener el crecimiento del pas consumiendo menos energa. Desde luego, el concepto era que la demanda de energa est inducida por una demanda paralela de servicios energticos tales como el alumbrado, la refrigeracin, el transporte entre otros y s se poda prestar el mismo servicio empleando menos energa, el ahorro de energa era en realidad un recurso, de igual categora que cualquier otra fuente de energa. Por lo tanto, lo que se propona era explotar los yacimientos del ahorro a travs de la mejora de los hbitos de consumo, la utilizacin de equipos eficientemente energticos en todos los sectores de consumo y el mejoramiento de la arquitectura de edificios y viviendas. Un ejemplo concreto de la posibilidad de la aplicacin de estas tcnicas se dio en el Estado de California de los Estados Unidos; all se estimaba que la demanda crecera entre 1976 y 1985 en 20 GW, lo que significaba construir en ese perodo un equivalente a 20 plantas de 1,000 MW de potencia cada uno. Sin embargo, dicho Estado decidi realizar un programa de ahorro de energa muy intenso en ese perodo, logrando como resultado que slo fueran necesarios construir 4 plantas de 1 GW. El ahorro tanto en inversin y en energa, se logr evitando que se construyeran las otras 16 plantas, signific un ahorro econmico para la propia poblacin, que finalmente es quien paga dichas inversiones a travs de las tarifas. Programas similares se realizaron en otras regiones del mundo, logrando que su Producto Bruto Interno (PBI) contine creciendo, mientras que su consumo total de energa prcticamente se estancara y el consumo de petrleo incluso se redujera. Puede verse que antes de 1973, el porcentaje de crecimiento del PBI traa aparejado un crecimiento del consumo de energa de la misma magnitud. Observe las Figuras 2.

The source: OECD Energy balance

Figura 2 Evolucin del crecimiento del PBI y consumo de energa de la Unin Europea

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DCADA DEL 80: GLOBALIZACIN DE LA ECONOMA. Como consecuencia de la intensificacin de la internacionalizacin de la economa (ms conocida como globalizacin de la economa), los pases repararon que para ser competitivos en los diferentes mercados, tenan que reducir sus costos de produccin, entre ellos sus costos energticos. Este fue otro de los factores que impulsaron el desarrollo de este tipo de programas en esa dcada, ya que la competitividad se haba convertido en la piedra angular para conquistar otros mercados. Ver Tabla 2.Pas Estados Unidos Finlandia Holanda Suecia Suiza Alemania Chile Mxico Brasil Costa Rica Argentina Per El Salvador Venezuela Colombia Ecuador Bolivia Competitividad Empresarial (Micro econmica) 1 2 3 4 5 6 24 34 35 38 40 46 47 51 52 57 58 Competitividad Global 2 11 9 19 6 25 21 31 51 34 42 36 46 50 54 53 55

Fuente: Global Competitiveness Report 1999 World Economic Forum Revista Semana Econmica (4-oct.99)

Tabla 2 Ranking de Competitividad Empresarial Micro econmica y Global (1999)

DCADA DEL 90: CRISIS ECOLGICA Los cientficos, durante esta dcada, venan advirtiendo que el contenido de dixido de carbono (CO2) en la atmsfera se estaba incrementando de manera importante y pronosticaban que esto producira el calentamiento de la tierra, que se conoce comnmente con el nombre de efecto invernadero, tal como se observa en las Figuras 3 y 4.

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Figura 3 Evolucin de la concentracin de CO2 en la atmsfera en los ltimos 100 aos

Figura 4 Evolucin de la temperatura en los ltimos 100 aos. (Fuente: World Resources Institute. Climate Protection and the National Interest. 1997)

De hecho, se ha demostrado a travs de rigurosas mediciones que durante el presente siglo, la presencia de este gas en la atmsfera ha crecido en un 20%, lo que ha dado origen a que la temperatura de la tierra aumente en aproximadamente 0.5C. De seguir esa tendencia y si no hace nada por evitarlo, en los prximos 50 aos se pronostica que la temperatura podra incrementarse en 2 grados centgrados ms. Durante los ltimos aos, se han detectado algunos signos que indican que dicho calentamiento ya estara produciendo algunos efectos en nuestro planeta. Por ejemplo, los 12 aos ms calientes durante el presente siglo se han dado entre 1980 y 1995. Se pronostica que un calentamiento prolongado podra producir que reaparezcan enfermedades tropicales que ya haban sido erradicadas como la malaria, el clera, el dengue, la fiebre amarilla y tambin producir cambios climticos muy importantes, que originaran sequas en algunas partes del mundo y abundantes lluvias en otras, pudiendo causar migraciones de cientos de miles de personas en busca de mejores hbitats para tener una supervivencia asegurada. Por otro lado, podra producir el deshielo de los nevados, gracias a los cuales muchos valles en el mundo tienen agua permanente durante todo el ao. A ello se suma, el potencial deshielo

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que podra producirse en los casquetes polares, que incrementara el nivel del mar produciendo inundaciones de gran magnitud en algunos pases asiticos que prcticamente se encuentra al nivel del mar. Finalmente, calentamientos localizados podran romper el frgil equilibrio de los ecosistemas de algunas partes del mundo, propagndose en el tiempo este efecto a nivel mundial, amenazando la supervivencia de la vida humana. Esto viene ocurriendo por el desbalance existente entre las emisiones del dixido de carbono que en 1995 ascendan a 6,500 millones de TM/ao (debido principalmente a las plantas de energa que utilizan combustibles fsiles, el transporte y la industria), mientras que la capacidad de absorcin del planeta slo es de 2,500 millones de TM/ao (que es absorbida fundamentalmente por la vegetacin y el agua del mar). El 73% de las emisiones de los gases de efecto invernadero eran producidos en 1995 por los pases desarrollados, mientras que slo el 27% eran producidos por los pases en vas de desarrollo4.

Figura 5 Desbalance mundial entre la emisin y absorcin del dixido de carbono est produciendo el efecto invernadero

Desde luego las medidas ms efectivas para reducir el efecto invernadero consisten en: a. Implementar programas de eficiencia energtica, con la finalidad de racionalizar el consumo y de esta manera reducir las emisiones ambientales que inevitablemente se producen cuando se genera energa. Utilizar energas alternativas limpias, como las renovables, para ir sustituyendo progresivamente las fuentes de energa que funcionan con combustible fsiles.

b.

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Climate change. State of knowledge. Office of Science and Technology. USA. 1997

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c.

Fomentar los programas de forestacin y reforestacin a fin de aumentar la capacidad de absorcin de las plantas del planeta. Con la finalidad de reducir las emisiones de gases de efecto invernadero y evitar el cambio climtico, durante la Cumbre de Ro, que se llev a cabo en 1992 y a la que asistieron 172 pases, se acord suscribir el Convenio Marco de las Naciones Unidas para el Cambio Climtico. En diciembre de 1997, las partes firmantes se reunieron en Kyoto (Japn) para aprobar el denominado Protocolo de Kyoto. En el mismo, los pases industrializados se comprometieron a reducir en 5% sus emisiones para los aos 20082012 con respecto a sus emisiones del ao 1990. Es decir, si en 1990 uno de ellos hubiera emitido 1 milln de toneladas (TM) de CO2, en el perodo 2008 al 2012 debe emitir como mximo un promedio de 950,000 TM por ao. Un aspecto importante a mencionar es que voluntariamente la Unin Europea decidi reducir para dicho perodo un 8% de sus emisiones. Estos compromisos son de carcter mandatario para los pases industrializados, mientras que an no existe exigencia alguna para los pases en vas de desarrollo. Sin embargo, como probablemente algunos de los pases industrializados podra no poder reducir la parte que le toca en su propio territorio, el convenio establece la posibilidad de que estos programas se realicen en pases en vas de desarrollo, bajo la modalidad de proyectos de implementacin conjunta y mecanismos de desarrollo limpio los mismos que seran financiados por los pases industrializados con la condicin, de que las reducciones que se logren, se contabilicen a su favor para cumplir con las metas establecidas en el Protocolo de Kyoto. PROGRAMA DE AHORRO DE ENERGA EN EL PER El Proyecto para Ahorro de Energa (PAE) fue creado a fines de 1994 por el Ministerio de Energa y Minas, para desarrollar acciones bajo el concepto del AHORRO DE ENERGA en vista que no se tenan los mrgenes de reserva suficientes como para soportar la reactivacin econmica y el crecimiento del ndice de electrificacin que se vena produciendo desde 1993. A ello se sumaban los pronsticos que los aos 95 y 96 seran secos, lo que sin duda afectara a nuestro sistema hidroelctrico reduciendo ms la oferta, el margen de reserva y poniendo en riesgo el normal desarrollo del pas. Debido a esta situacin, el objetivo principal de la campaa durante 1995 y 1996 fue evitar que se produjeran racionamientos en el Sistema Interconectado Centro Norte (SICN) a travs de la reduccin de la demanda en 100 MW lo que se cumpli, ya que durante esos 2 aos no se registraron restricciones de fluido elctrico en ningn momento. La campaa de ahorro de energa, durante estos ltimos aos se realiz principalmente en el sector residencial y comercial; realizndose para ello 3 actividades paralelas y complementarias entre s: una campaa educativa, una campaa publicitaria y una campaa demostrativa informativa. El resultado fue que desde 1994 (antes de la campaa) hasta 1999 la evolucin de la mxima demanda del SICN slo ha crecido en un 10%, mientras que el PBI en ese perodo lo hizo en 23%.

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MW2210 2160 2110 2060 2010 1960 1910 1860 1810 1760 1710 1660 1610EFMAMJJASONDEFMAMJJASONDEFMAMJJASONDEFMAMJJASONDEFMAMJJASONDEFMAMJJASONDEFMAMJJASOND

2106 MW (DIC 98)

2147 MW (NOV 99)

1983 MW (DIC 97)

INCLUYE AUTOPRODUCTORES

Figura 6 Evolucin de la Mxima Demanda en el Sistema Interconectado Centro - Norte (SICN) desde 1993 hasta Diciembre de 1999

Probablemente uno de los factores que influy en este menor crecimiento fue la modificacin de hbitos de consumo, en especial la actitud que ahora toma la poblacin en las horas punta (concepto que se introdujo en la campaa) con relacin a la utilizacin de la iluminacin, que constituye el consumo principal en esas horas y a otros artefactos electrodomsticos. En la actualidad ms del 60% de la poblacin conoce lo que son las horas punta y la actitud de apagar todos los focos innecesariamente encendidos en la casa se ha incrementado de 14% en Enero de 1996, a 24 % en Enero de 1997 y a 55% en Diciembre de 1998, segn las encuestas que se encargaron a la empresa APOYO. Por otro lado, una reduccin muy importante de la demanda se debi al xito que se tuvo en la introduccin de ms de 1.500.000,00 de Focos Ahorradores en el sector residencial y comercial entre los aos 1995 y 1999. Se ha estimado que esta sustitucin de focos incandescentes por Focos Ahorradores, haba reducido en ms de 80 MW la demanda en 1998. Esta sustitucin se realiz sin ningn tipo de subvencin del Estado, y para su desarrollo se aprovech las propias fuerzas del mercado. Por otro lado, el consumo promedio de energa en el sector residencial a nivel nacional se ha ido reduciendo gradualmente desde 1994, siendo la campaa de ahorro de energa uno de los factores que influy en dicha reduccin durante los primeros aos.

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En 1998 se present una situacin similar a la del SICN en el sistema sur (SIS); la Central de Machu Picchu sufri una inundacin y sali fuera de servicio el 25% de la oferta de energa del sur, encargndose al PAE el desarrollo de una campaa intensa en esa regin para evitar racionamientos, objetivo que tambin se logr, ya que tampoco hubieron, durante 1998, restricciones de energa en esa zona del pas.

ANTES DE LA CAMPAA

DURANTE LA CAMPAA

FUENTE: ANUARIOS CTE Y DGE/ ELABORACION: PAE

* HASTA NOVIEMBRE DE 1999

Figura 7 Evolucin del consumo promedio en el Sector Residencial a nivel nacional (kWh/mes)

4.

FUENTES DE ENERGA RENOVABLES Los combustibles fsiles (petrleo, carbn mineral y gas natural) son recursos finitos que inexorablemente van a agotarse. Por fortuna, existen tambin las energas renovables, que se definen como formas de energa que tienen una fuente prcticamente inagotable con respecto al tiempo de vida de un ser humano en el planeta, y cuyo aprovechamiento es tcnicamente viable. Dentro de estos tipos de energa se encuentran: la solar, la elica (viento), la minihidrulica (ros y pequeas cadas de agua), la biomasa (materia orgnica), la geotermia (calor de las capas internas de la Tierra) y la ocenica, principalmente. Las energas renovables ofrecen la oportunidad de obtener energa til para diversas aplicaciones, su aprovechamiento tiene menores impactos ambientales que el de las fuentes convencionales y poseen el potencial para satisfacer todas nuestras necesidades de energa presentes y futuras. Adems, su utilizacin contribuye a conservar los recursos energticos no renovables y propicia el desarrollo regional.

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Por ejemplo, usted puede instalar un calentador solar en su casa para ahorrar gas, como tambin un campesino o un grupo de ellos pueden organizarse para aprovechar esa misma energa, la del viento o de pequeas corrientes de agua para suministrar electricidad a sus comunidades para fines domsticos o para actividades productivas. En los siguientes prrafos veremos algunos datos sobre los principales tipos de energas renovables. ENERGA HIDRULICA Cuando llueve, el agua es absorbida en parte por el suelo, mientras que el resto fluye desde las montaas, colinas y partes altas, y en su descenso forma torrentes y ros que desembocan en los ocanos. Cuando el agua se mueve (energa cintica) o se encuentra por arriba del nivel del mar (energa potencial), puede ser utilizada para generar electricidad. (Recordemos que la energa es la capacidad de realizar un trabajo).

Figura 8 Planta hidroelctrica

Durante muchos siglos, el agua de los arroyos y ros fue utilizada para moler cereales y obtener harina. Ahora tambin podemos generar electricidad con la fuerza del agua y del viento. El hombre construye presas para almacenar agua en lugares altos y, al liberarla, generar electricidad. Las plantas hidroelctricas aprovechan ya sea la energa potencial del agua o la cintica para mover turbinas y generadores que producen electricidad. El agua que fluye y se almacena en las presas, es llevada por conductos (tubos) para hacer girar las aspas de las turbinas. stas son similares a las utilizadas en las plantas termoelctricas, pero es el agua y no el vapor lo que las hace girar. La electricidad que se genera en las hidroelctricas a altos voltajes, es transmitida a grandes distancias mediante cables de alta tensin y, despus, reducida a voltajes inferiores para ser distribuida a los sitios de consumo (hogares, escuelas, talleres, fbricas, comercios, etc.). En nuestro pas tambin tenemos muchas pequeas corrientes de agua (energa minihidrulica) que pueden ser aprovechadas para generar

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electricidad, con fines productivos y de consumo domstico, sobre todo en localidades marginadas o alejadas de las redes del servicio elctrico. GEOTERMIA La energa geotrmica es tan antigua como la existencia misma de nuestro planeta. "Geo" significa en griego "Tierra" y "thermos", "calor"; por lo tanto, geotermia es el calor de la Tierra. Por cada cien metros que se cava hacia el centro de la Tierra, la temperatura aumenta 3 grados centgrados. En ciertos lugares, las corrientes subterrneas de agua pasan junto a rocas calientes que se encuentran a una gran profundidad y calientan el agua o incluso la convierten en vapor. En estos casos, se habla de "aguas termales" o de "giseres", cuando brotan agua caliente y vapor. El agua caliente puede alcanzar temperaturas de 148 grados centgrados (el agua, al nivel del mar, hierve a 100 grados).

Figura 9 Grfica de planta Geotrmica

Igual que ocurre con una planta termoelctrica, el vapor de la geotermia es aprovechado para mover turbinas y generadores. Una vez que pasa por las turbinas, el vapor es llevado a una torre de enfriamiento para convertirse en agua, que con frecuencia es bombeada para volver a ser calentada en el interior de la Tierra. BIOMASA Se conoce como biomasa energtica al conjunto de materia orgnica, de origen vegetal o animal (madera, celulosa, carbn vegetal, etc.), incluyendo los materiales procedentes de su transformacin natural o artificial. Residuos forestales procedentes de diversos tratamientos selvcolas, como podas o limpieza de matorrales.

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Residuos agrcolas de diferentes podas de cultivos leosos como olivos y frutales. Tambin residuos de cultivos de cereales como maz, trigo o arroz e incluso se utilizan los residuos de otros cultivos herbceos como el tabaco, remolacha, algodn y girasol. Residuos de industrias forestales, procedentes en su mayora de industrias de tratamiento de madera, corcho o papel. Residuos biodegradables de industrias agroganaderas y agroalimentarias y tambin los procedentes de actividad urbana, entre los que destaca el biogas procedente de estaciones depuradoras de aguas residuales urbanas y de los Residuos Slidos Urbanos. Cultivos energticos y biocarburantes.

........Figura 10 Residuos forestales

El aprovechamiento de los recursos de la biomasa vegetal se ha usado tradicionalmente y cada vez adquiere mayor relevancia por su potencial econmico, ya que existen importantes volmenes anuales de produccin agraria, cuyos subproductos se pueden usar como fuente de energa e incluso ya se estn potenciando los llamados cultivos energticos, especficos para este fin. Ests fuentes de energa muy utilizadas an en gran parte de los hogares del medio rural. Las plantas y rboles, como todos los vegetales en general, realizan el proceso de fotosntesis gracias a la energa solar y en esta forma elaboran su alimento: descomponen el bixido de carbono (CO2) del aire, lo combinan con el agua que toman de la tierra, en presencia de luz solar, y los convierten en materia orgnica y oxgeno. De ah la importancia de la vegetacin para todo el medio ambiente, pues retiene el agua de las lluvias, evita la erosin de los suelos, limpia la atmsfera y libera oxgeno, entre otros beneficios.

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Cuando las plantas y rboles mueren o son talados por la mano del hombre, esa energa que tomaron del sol y del suelo la aprovechamos para producir fuego, calentar nuestros cuerpos y preparar los alimentos. Por cierto, tanto la lea como el carbn pueden ser usados en forma ms eficiente (50%) si se utilizan "estufas de lea" y anafres, en vez de los tradicionales fogones de "tres piedras". Si bien los recursos de biomasa ms conocidos son la lea y el carbn vegetal, no son los nicos. La biomasa comprende una extensa gama de materia biolgica, cuya energa tambin puede obtenerse en estado lquido, mediante la fermentacin de azcares, o gaseoso, a travs de la descomposicin anaerbica (en ausencia de oxgeno) de la materia orgnica. De tal forma, que el proceso de aprovechamiento de la energa de la biomasa puede ser tan simple como cortar rboles y quemarlos, o tan complejo como utilizar la caa de azcar u otros cultivos y convertir sus azcares en combustibles lquidos. Desde hace mucho tiempo, los ingenios azucareros utilizaban el bagazo de la caa para generar el vapor y la electricidad que requeran sus procesos. En diversas partes del mundo se aprovecha con la misma finalidad la basura (residuos slidos urbanos) que producen las grandes ciudades.

ENERGA SOLAR A usted seguramente le encanta disfrutar del sol en las playas o caminar al aire libre en el campo bajo un sol radiante. Pero adems de luz y placer, el Sol nos ofrece suficiente energa para calentar el agua con que nos baamos y para generar electricidad.

Energa termosolar: se utilizan estos trminos cuando la energa del Sol

se aplica a fines trmicos (calentamiento). La conversin de la energa solar en calor til se puede lograr mediante dispositivos conocidos como "colectores solares", los cuales pueden ser planos y alcanzan temperaturas de 40 a 100 grados centgrados, o "concentradores" con los que se obtienen hasta 500 grados. El principio bsico del calentamiento solar de agua consiste en exponer al Sol una superficie metlica, generalmente pintada de negro. El agua a calentar se pone en contacto trmico con esta superficie y mediante el proceso fsico de transferencia de calor, aumenta su temperatura. Finalmente, el agua calentada se almacena en un tanque trmicamente aislado, conocido como "termotanque". La tecnologa solar de calentamiento de agua para uso domstico surgi desde finales del Siglo XIX y se ha extendido por varios pases, en algunos de los cuales su uso es obligatorio, como es el caso de Israel. En Mxico, se producen calentadores solares desde 1942, con altos ndices de calidad y eficiencia.

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No ha pensado usted en la posibilidad de adquirir un calentador solar para su casa o para su negocio? Los calentadores solares pueden servir para calentar el agua que utilizan para baarse los trabajadores de un taller o de una fbrica, y ahorran mucho dinero: Un buen calentador solar puede durar veinte aos, es decir, al menos el doble de lo que dura un calentador convencional de gas.

Figura 11 Energa fotovoltaica

Las celdas solares o fotovoltaicas, que actualmente se utilizan en muchos aparatos pequeos, como relojes y calculadoras, empezaron a ser desarrolladas en los aos cincuenta para ser usadas en los satlites espaciales. Dichas celdas estn hechas de silicio, un elemento que tiene la caracterstica de reaccionar con la luz y que se obtiene procesando cierto tipo de arena (arena slica). Cuando la luz solar (fotones) incide sobre la celda de silicio, este elemento pierde electrones, que se mueven hacia la superficie de la celda -de color azul oscuro- y se crea una diferencia de potencial entre los dos polos de la celda. Cuando ambos polos son conectados a un conductor, se genera un corriente de electricidad entre los polos positivo y el negativo. En un panel solar, hay un determinado nmero de celdas que, interconectadas, producen la cantidad de electricidad requerida en cada caso. Los paneles pueden tambin ser interconectados hasta lograr el voltaje necesario para iluminacin, bombeo de agua, etc. Por ejemplo, un metro cuadrado de celdas solares nos dar la energa suficiente para hacer funcionar un refrigerador pequeo.Figura 12 Paneles solares

Los sistemas fotovoltaicos estn equipados con acumuladores que durante el da almacenan la energa para poder ser utilizada en las noches o das muy lluviosos. Cabe sealar que las celdas solares tambin funcionan en das nublados, aunque no con la misma eficiencia que lo hace en das soleados.17


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Concentracin de energa solar Seguramente, usted ha hecho el experimento de encender un papel utilizando la luz del Sol y una lupa, no es cierto? La lupa se encarga de concentrar la energa solar en un pequeo punto, muy brillante, y es tanto el calor concentrado ah que ste produce fuego en el papel. Ahora, imagnese usted eso mismo, pero usando muchos espejos parablicos que hacen lo mismo que la lupa- para concentrar la energa solar sobre tubos o depsitos de agua o aceite. El resultado es que el agua empezar a hervir y parte de ella se convertir en vapor (o bien el aceite calentar el agua para convertirla en vapor). Recuerde que cuando obtenemos vapor, por cualquier mtodo, podemos hacer girar una turbina y un generador, lo que significa que estamos en capacidad de generar electricidad. Ya existen plantas que utilizan la concentracin de la energa solar para generar electricidad. El problema con la energa solar es que slo funciona cuando brilla el Sol y, por lo mismo, las plantas no generan electricidad en las noches y das muy nublados. Esa es la razn por la que algunas de ellas utilizan tecnologa hbrida: durante el da aprovechan la energa solar y por las noches usan gas natural para convertir el agua en vapor y producir electricidad mediante turbinas y generadores.

ENERGA ELICA El aprovechamiento del viento para generar energa es casi tan antiguo como la civilizacin. La primera y la ms sencilla aplicacin fue la de las velas para la navegacin. Otros usos, para bombear agua, mover las aspas de los molinos.

Figura 13 Molino de Viento

En la dcada de los noventa comienza el desarrollo de esta energa cuando se toma conciencia de la necesidad de modificar el modelo energtico basado en los combustibles fsiles y la energa nuclear por los problemas que estos causan al medio ambiente.

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En el Siglo XX el hombre comienza a utilizar la energa elica para producir electricidad pero en principio slo para autoabastecimiento de pequeas instalaciones. En los ltimos diez aos del Siglo XX y, gracias a un desarrollo tecnolgico y a un incremento de su competitividad en trminos econmicos, la energa elica ha pasado de ser una utopa marginal a una realidad que se consolida como alternativa futura y, de momento complementaria a las fuentes contaminantes. Conceptos generales Aerogenerador es el nombre que recibe la maquina empleada para convertir la fuerza del viento en electricidad. Los aerogeneradores se dividen en dos grupos: los de eje horizontal, los ms utilizados y eficientes, y los de eje vertical. El aerogenerador de eje horizontal, empleado mayormente, consta de tres partes bsicas: El rotor, que incluye el buje y las palas, generalmente tres. La

gndola, dnde se sitan el generador elctrico, los multiplicadores y sistemas hidrulicos de control, orientacin y freno.

Rotor TorreFigura 14 Rotor y gndola

Gndola

Figura 15 Gndola abierta

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La torre, que debe ser tubular, ya que los de otro tipo no se emplean

en la actualidad. Los aerogeneradores han pasado en tan slo unos aos de una potencia de 25 kW a los 1500 kW, que es con la que cuentan los que hoy se instalan, pero ya estn a punto de ser reemplazados por los de 1650 kW. La explotacin de la energa elica se lleva a cabo en la actualidad fundamentalmente para la generacin de electricidad que se vende a la red y ello se hace instalando un conjunto de molinos que se denomina parque. Energa transferida del viento en mecnica La cantidad de energa transferida al rotor por el viento depende de la densidad del aire, del rea de barrido del rotor y de la velocidad del viento. Densidad del aire A presin atmosfrica normal y a 15oc el aire pesa 1,225 Kg/m3. El aire es ms denso a menor temperatura. A grandes altitudes la presin del aire es mas baja y el aire es menos denso. rea del rotor El rea del rotor determina cuanta energa del viento es capaz de capturar una turbina elica. Para un aerogenerador tpico de 1 000 kW le corresponde un dimetro del rotor de 54 metros, lo que supone un rea de 2300 m2. Una turbina que duplique su rea de rotor recibir cuatro veces ms energa. Velocidad media del viento Slo puede convertirse menos del 59% de la energa cintica en energa mecnica usando un aerogenerador. La mayor parte de la energa elica se encontrar a velocidades por encima de la velocidad media del viento en el emplazamiento. Velocidad de corte Los aerogeneradores se programan para detenerse a altas velocidades del viento, de unos 25 m/s para evitar posibles daos en la turbina o en sus alrededores. A esta velocidad se le denomina velocidad de corte. Es difcil hacer medidas exactas de la velocidad del viento. Si se tiene un 3% de error en las mediciones de la velocidad, entonces la energa del viento puede ser un 9% superior o inferior. En consecuencia, pueden existir errores hasta de 10% incluso en curvas certificadas. Las curvas de potencia estn basadas en medidas realizadas en zonas de baja intensidad de turbulencias, y con el viento viniendo directamente hacia la parte delantera de la turbina.

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La mayor parte de energa elica est disponible a las velocidades del viento que son el doble de la velocidad del viento ms comn en dicho emplazamiento. Es conveniente tener en cuenta la temperatura y presin del aire, ya que de estos valores depende la potencia obtenida en el aerogenerador. Velocidad de conexin Normalmente, los aerogeneradores estn diseados para empezar a girar a velocidades alrededor de 3-5 m/s. Es la llamada velocidad de conexin. Potencia del viento La potencia del viento que pasa perpendicularmente a travs del rea circular es: P = v3 r2 donde:P v r : : : : : Potencia del viento media en Vatios Densidad del aire seco 1,225 kg/m3 (a la presin atmosfrica promedio a nivel del mar y a 15oc ) Velocidad del viento media en m/s 3,1416 Radio del rotor medio en metros

Coeficiente de potencia Indica con que eficiencia el aerogenerador convierte la energa del viento en electricidad. C = Potencia elctrica disponible / Potencia elica de entrada La eficiencia interesa sobre todo en la zona de velocidades de viento donde se encuentra la mayor parte de la energa, ya que a bajas velocidades la eficiencia no es tan alta porque no hay mucha energa por recoger, sin embargo a altas velocidades la turbina debe disipar cualquier exceso por encima para la que ha sido diseada. No es un fin el tener una gran eficiencia tcnica en un aerogenerador, lo que en realidad interesa es el costo de sacar los kwh del viento durante los prximos 20 aos. Cada metro cuadrado de rea de rotor cuesta dinero. Notas: Generalmente las mquinas para vientos bajos (gran dimetro de rotor en relacin con el tamao del generador) funcionarn mal en emplazamientos de fuertes vientos, y viceversa. La mayora de las maquinas para vientos bajos no estn diseadas para ser utilizadas en reas de fuertes rfagas de viento. La eficiencia de los aerogeneradores vara con las velocidades del viento.

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En climas templados, el viento tiende a ser ms fuerte en invierno que en verano, y ms fuerte durante el da que durante la noche. Los factores de carga pueden variar en teora de 0 a 100%, mientras que en la prctica el rango de variacin va del 20 al 70% y sobre todo alrededor del 20 al 30%. Se tiene la posibilidad de elegir entre tener una produccin de potencia relativamente estable (cerca del lmite de diseo del aerogenerador) con un alto factor de carga, o bien una alta produccin de energa (que fluctuar) con un bajo factor de carga.

Medicin de la velocidad del viento: Anemmetros La medicin de la velocidad del viento se realiza normalmente con los anemmetros. Existen anemmetros de cazoletas que tiene un eje vertical y tres cazoletas que capturan el viento. El nmero de revoluciones por segundo son registradas electrnicamente. Normalmente, el anemmetro est provisto de una veleta para detectar la direccin del viento. En algunos casos en lugar de cazoletas el anemmetro puede estar equipado con hlice, aunque no es lo habitual. La ventaja de los anemmetros no mecnicos es que son menos sensibles a la formacin de hielo. Sin embargo en la prctica los anemmetros de cazoletas son ampliamente utilizados. Los anemmetros econmicos no resultan de utilidad en las mediciones de la velocidad de viento dado que pueden ser muy imprecisos. Si se piensa construir un parque elico puede resultar un problema econmico si se dispone de un anemmetro con un error del 10%. En este caso, se expone a contar con un contenido energtico del viento que es 1,13 1,0 = 33% mas elevado de los que es en la realidad. Es posible comprar un anemmetro profesional y bien calibrado, con un error de medicin alrededor del 1%, por unos 700 a 900 dlares americanos, lo que no es nada comparado con el riesgo de cometer un error econmico.

Figura 16 Anemmetro tipo cazoleta

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Medicin de la velocidad del viento en la prctica La mejor forma de medir la velocidad del viento en la futura localizacin de una turbina elica es situar un anemmetro en el extremo superior de un mstil que tenga la misma altura de buje esperada de la turbina que se va a utilizar. Esto evita la incertidumbre que conlleva el recalcular la velocidad del viento a una altura diferente. Colocando el anemmetro en la parte superior del mstil se minimizan las perturbaciones de las corrientes de aire creadas por el propio mstil. Si el anemmetro esta ubicado en la parte lateral del mstil es fundamental enfocarlos en la direccin del viento dominante para minimizar el abrigo del viento de la torre. Qu mstil elegir Para evitar el abrigo del viento, en lugar de utilizar torres tipo enrejado, normalmente se utilizan postes cilndricos delgados, tensados con vientos, en los que se colocan los mecanismos de medicin del viento. Los postes son suministrados en kits de fcil ensamblaje, sin necesidad de gra. El anemmetro, el poste y el registrador de datos suele costar alrededor de 5000 dlares americanos.

Figura 17 Mstil y anemmetro

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Registrador de datos Los datos de las velocidades y direcciones del viento obtenidos por el anemmetro son recogidos en un chip de una pequea computadora; este registrador de datos (data logger) puede funcionar con una batera durante un largo perodo de tiempo.

Figura 18 Data logger

En pases como Alemania, Espaa y Dinamarca, el aprovechamiento de la energa elica registra vertiginosas tasas de crecimiento. ENERGA OCENICA Saba usted que el agua de los ocanos puede proporcionarnos energa elctrica para nuestros hogares y otros muchos usos? En Francia funciona una planta que aprovecha la fuerza de las mareas y genera suficiente electricidad para abastecer a 240 mil hogares. El resto de las plantas que hay en el mundo son ms bien pequeas y funcionan en plan experimental. Pero cmo podemos obtener energa de los ocanos? Bsicamente, hay tres formas de captar la energa ocenica: aprovechando el movimiento de las olas, de la marea alta y baja, y la diferencia de temperatura de las aguas del mar. Energa de las olas Las olas en movimiento contienen energa cintica, que puede ser aprovechada para mover turbinas. Cuando la ola entra a la cmara, el agua sube en su interior. Esto expulsa al aire de la cmara y al hacerlo mueve la turbina que est unida al generador. Cuando la ola baja, el aire entra a travs de la turbina y de nuevo mueve el generador. La operacin se repite incesantemente con el movimiento natural de las olas.

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Otra forma de utilizar las olas es con un pistn, que sube y baja dentro de un cilindro con cada movimiento de las olas. El pistn se encarga de hacer girar el generador.Figura 19 Energa de Olas

Hasta ahora, la mayor parte de los sistemas para generar energa con las olas marinas son muy pequeos, pero pueden ser usados, por ejemplo, para auxiliar en la iluminacin de una casa o para boyas de advertencia en el mar. Energa de las mareas Cuando sube la marea, el agua puede ser retenida en esclusas y cuando baja, puede ser liberada como se hace en las plantas hidroelctricas. Sin embargo, para lograr esto se requieren fuertes mareas, de al menos cuatro metros de altura entre la marea alta y la baja, lo que ocurre en muy pocos lugares del mundo. Energa trmica de los ocanos La tercera forma de aprovechar la energa de los ocanos es mediante la conversin de la energa trmica de las aguas marinas. Habr usted notado que cuando nada en el mar, el agua de la superficie se siente ms tibia en la superficie. Esto se debe a que agua absorbe una parte del calor del Sol y el resto es reflejado. Las aguas profundas del mar son fras y su temperatura es menor a medida que es mayor la profundidad. Por ello, los buzos que descienden a una relativa profundidad deben utilizar trajes especiales para evitar que su cuerpo se enfre demasiado. La conversin de la energa trmica ocenica tiene que ver con la explotacin de las diferencias de temperatura entre el agua templada de la superficie y las aguas profundas ms fras. Particularmente en las latitudes tropicales y a una profundidad de mil metros, esa diferencia puede llegar a 20 grados centgrados, lo que puede utilizarse para generar electricidad al evaporar y condensar, en forma alternada, un fluido de trabajo. El vapor producido mediante este proceso mueve una turbina acoplada a un generador de electricidad. Existen algunas plantas experimentales en Japn y Hawai que utilizan la diferencia de temperatura de las aguas ocenicas para generar energa elctrica.

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BIBLIOGRAFA 1. Melero Pedro, Sanz Irene; Modelos de Planificacin Energtica, Centro de Estudios de Postgrado de Administracin de Empresas CEPADE; Madrid Espaa. Ministerio de Energa y Minas; Eficiencia Energtica, Proyecto para el Ahorro de Energa PAE; Per. www.windpower.org, Asociacin danesa de la industria elica.

2. 3.

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estructura energÉtica mundial

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