Este curso introductorio aborda conceptos de energía sustentable y describe tecnologías avanzadas que pueden sustituir progresivamente las actuales dominadas por el carbón, el petróleo y gas natural, cuyas emisiones está perturbando progresivamente el clima, lo que puede afectar el desarrollo y la convivencia internacional. Este curso ilustra los impactos que provoca la transformación de energía para estimular el desarrollo de cambios en las formas y tecnologías de producción y uso de la energía, comprendiendo su origen físico, sus desafíos, compromisos y externalidades. Se estudia la evolución del clima global y los escenarios que se contemplan. En base a ellos, se promueve la adopción de recursos naturales de larga autonomía, cuya transformación emite el mínimo impacto ambiental y climático y cuyas tecnologías son posibles de implementar a costos abordables para la sociedad, considerando que un sexto de la población global aún no accede a la electricidad ni a otros servicios energéticos esenciales para su desarrollo. Se proponen soluciones efectivas para la mitigación del cambio climático y se enuncian opciones aún en estudio.
Carbón limpio
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Del curso dictado por Pontificia Universidad Católica de Chile
Explorando la Energía Sustentable
103 calificaciones
De la lección
Tecnologías sustentables
En este módulo estudiarás los fundamentos detrás de las tecnologías para la producción de energía nuclear y energías renovables no convencionales (ERNC). Podrás evaluar y comparar las fortalezas y debilidades de cada una de estas tecnologías en cuanto a su impacto ambiental y su potencial de generación eléctrica.
Conoce a los instructores
Julio VergaraPhD in Nuclear Materials Engineering
Profesor Asociado Adjunto de la Escuela de Ingeniería UC.
César Sáez NavarreteDoctor en Ciencias de la Ingeniería
Departamento de Ingeniería Química y Bioprocesos
[música]
Bienvenido a esta nueva sesión del curso de energías sustentables
mi nombre es Julio Vergara, profesor de la escuela de ingeniería UC,
en esta ocasión
se conocerán las opciones para reducir las emisiones de carbono,
se revisarán algunas de las tecnologías,
sitios de captura y secuestro de carbono,
también se revisarán las opciones y los desafíos de reducción
dada la enorme relevancia que tienen
los combustibles fósiles en el presente
La combustión, es una realidad comercial
tecnológica con más de un siglo,
que ha permitido
el desarrollo económico inicialmente con carbón,
al que se suma el petróleo y más recientemente el gas,
los fósiles dominan por lejos
en la generación eléctrica global,
en la propulsión de casi todo tipo de vehículos terrestres,
aéreos y marítimos, en múltiples usos,
en distintos sectores industriales.
Además de amplios usos en residencia,
tanto en calefacción como en preparación de alimentos
y cuando estos servicios son eléctricos
en alguna parte hay una planta fósil generando o respaldando
gran parte de la electricidad.
Los recursos fósiles son cuantiosos
a más de dos siglos de iniciado el consumo,
exhiben autonomías de más de 45 años para el petróleo,
más de 70 años para el gas y más de 200 años
para el carbón, sin considerar
recursos residuales o de esquisto.
Con una logística de suministros arraigada
a sistemas Ad-hoc y precio bajo,
le depara una salida muy lenta y difícil,
a pesar del cambio climático en curso
y los incipientes acuerdos de mitigación firmados,
cuya efectividad está por verse,
recordemos que el protocolo de Kioto
solo vio aumentar las emisiones en 50%
desde su firma, en vez de producir una reducción.
Recordemos que la combustión con aire
forma CO2 y vapor de agua, el nitrógeno al aire
no participa en la combustión salvo si la combustión no es completa,
en que se producen menos vapor de agua y CO2 para formar
monóxido de carbono, hidrogeno, oxígeno,
óxidos nitrosos y material particulado,
algunos de estos tienen impacto en el ambiente local
y otros son gases de efecto invernadero con impacto
en el cambio climático global.
Algunas reacciones químicas importantes son las del carbón,
usado en generación eléctrica principalmente
derivados del petróleo, usado en casi todos
los medios de transporte
y gas natural usado en generación eléctrica,
industrias y residencias.
El consumo de carbón supera en casi un tercio
el uso del petróleo y este supera en casi 70% al uso del gas,
el carbón más que duplica el uso del gas,
siendo además
el que tiene mayores emisiones por kilo de combustible
por ente el que más CO2 emite.
Recordemos la evolución de los combustibles fósiles
en la matriz de energía primaria,
prácticamente el 80% fósil, seguido de la leña
que también emite gases de efecto invernadero,
solo el remanente,
hidro, nuclear y renovables no hídricas,
no emiten gases de efecto invernadero,
muchas personas naturales y del mundo político
han pedido eliminarlos del sistema energético,
para reemplazarlos por renovables.
Si eso ocurriera,
sin tocar la leña,
cuya combustión en general es precaria
además de afectar el uso de suelo,
la matriz energética se vería cómo esta acá en la figura,
su salida afectaría gravemente al desarrollo
global y sumiría al mundo en un crisis internacional
de grandes proporciones, en especial
en los países pobres.
Hacerlo con las energías renovables
tampoco sería una solución a pesar de
no haber inversiones en capacidad,
su generación apenas aumenta,
en parte por el enorme tamaño del sistema energético
y en parte por su intermitencia.
Las emisiones de los combustibles fósiles se empinan
en los 35 gigatoneladas de CO2 cada año,
dominado claramente por el carbón,
seguido por el petróleo y el gas natural,
el desafío es remover las emisiones de esas opciones
y no eliminar su beneficio energético,
la idea es que la matriz de emisiones se vea como la que está en la figura,
el problema no es el carbón,
casi todo en el planeta incluyendo
los seres humanos, está hecho de carbón,
así como los combustibles que nos han permitido
el desarrollo económico actual.
Tampoco es malo el CO2, de hecho es indispensable
para regular la temperatura superficial del planeta,
siempre que la concentración sea razonable.
Los desafíos de la eventual remoción
o reemplazo de las tecnologías a carbón
son enormes, la generación de potencia incluye 2,700 gigawatts
eléctricos fósiles en 5,300 plantas múltiples,
recordemos que la generación eléctrica
es el 20% del problema global,
donde se enfoca la aplicación reciente
de las tecnologías renovables.
El uso fósil en transportes es extenso en 1.3 millones
de vehículos de todo tipo y escalas,
esto es como 1.3 millones de autos,
100,000 buques, 40,000 aviones,
sin considerar pequeños buques pesqueros
y avionetas, el posible reemplazo de combustibles
en este segmento presionaría fuertemente otros,
como el de la biomasa y el sector eléctrico.
La atomización de plantas y de vehículos
dificulta la captura y gestión de carbono,
por es eso parece más efectiva
hacer la captura en carboneras,
por ende nos concentraremos en esto último.
La termoelectricidad en base a carbón domina
la generación eléctrica global con un 41 % de la electricidad
o casi 10 PWh y con un 30% de la energía primaria,
es más de 1,800 gigawatts eléctricos
de capacidad instalada, a parte de su logística arraigada.
Posee múltiples ventajas, gran capacidad instalada
y experiencia de operación, simpleza de operación y manutención,
con gran autonomía de los carbones
y una distribución ubicua del recurso que no promueve conflicto
y con precios moderados si establecen el tiempo.
La producción de carbón es alta y sostenida,
con creciente participación de países en vías de desarrollo,
aunque se ha estabilizado en el último tiempo,
solo en los últimos 45 años
se han emitido 550 gigatoneladas de CO2 a la atmósfera,
esto casi es un cuarto del inventario total
a pesar que la mitad es decadente,
a pesar de su alta participación en la matriz de energía
exige desafíos para su operación\ futura en el contexto actual.
En particular contribuye al cambio climático, exige desafíos para su operación\ futura en el contexto actual.
En particular contribuye al cambio climático,
emite material contaminante en la vecindad de la planta,
que afecta la salud de las personas,
incluso emite materiales naturales radiactivos
presentes en el carbón
superando a las centrales nucleares que casi no los emiten,
en aquellos sin fuertes regulaciones el impacto puede ser grande,
aunque exista una fuerte regulación,
mejorarán los impactos locales,
pero la emisiones de gases de efecto invernadero
no se reducirán mucho.
Hay varias medidas para mejorar el uso del carbón,
la primera
implica regular más y pulir procesos,
seleccionando carbones por su poder calorífico,
la segunda significa atrapar contaminantes locales
como el material partícula, óxido nitroso,
óxido de azufre y cenizas,
la tercera es reemplazar unidades o partes de ella para elevar
la eficiencia termodinámica,
la idea es evolucionar en la tecnología de las plantas a carbón.
En esta tabla
se muestra que es posible aumentar la eficiencia por clase de centrales,
lo que se traduce en menor consumo de combustible
y en menores emisiones,
las tres familias genéricas son las plantas de lecho fluidizado,
de carbón pulverizado y las de carbón gasificado,
al aumentar la temperatura en el circuito de refrigeración
y por ende la presión del trabajo y el tamaño
de los equipos se logra bajar las emisiones
secuencialmente hasta un 25%.
No es una medida administrativa,
implica inversiones para cambiar las partes esenciales de la planta,
la cuarta medida
es mitigar las emisiones de carbono
capturando el CO2 antes de que ingrese a la atmósfera,
este es el esquema de una planta a carbón,
posee una caldera,
un pabellón de turbogeneradores
y un área de gestión de productos de la combustión,
al descubrir la planta
encontramos una caldera que se alimenta de carbón
pulverizado y aire
y un sistema de tratamiento parcial
y evocación de los gases de la combustión.
El vapor de la caldera con algún sobrecalentamiento
ingresa a la turbina de alta presión,
el que se recalienta antes de regresar a las turbinas de baja presión,
luego se condensa el refrigerante para volver a la caldera.
Los sistemas anteriores se pueden representar por bloques,
la caldera, el turbogenerador y la gestión de gases
con un precipitador y un desulfurador.
Se puede ver en este cuadro el consumo de carbón,
el aire, los flujos de descargar
para una potencia de salida de 500 megawatts,
esta es una planta con sobrecalentador
y recuperador de calor en régimen suscritico,
con una eficiencia termodinámica de unos 35%,
en condiciones normales
produce más de 400 toneladas de CO2 por hora
o casi tres millones de toneladas de CO2 cada año.
Este es el caso general de alrededor de la mitad
de la generación eléctrica global,
con captura y secuestro de carbono
para mantener la misma potencia se deben instalar
equipos de captura y compresores de CO2 que exigen energía eléctrica.
y la planta consume más carbón,
lo que reduce su eficiencia a un 25% aproximadamente.
Pero las emisiones de CO2
bajan a menos del 15% del valor original.
Los sistemas de captura esperables
se ubican entre la zona de gestión de gases y la chimenea,
como resultado el 85% del CO2 de la combustión
es separado del flujo de descarga y enviado a secuestro.
Hay otras opciones aparte de la captura de CO2
por combustión que es la que parece más simple,
una manera más astuta de sacar el CO2
es hacerlo antes de la combustión lo que implica
otro tipo de planta
que parte de la gasificación del carbón
para producir un gas sintético rico en hidrógeno
con pocos productos de carbono
desde la combustión.
Una manera también de interés es la tecnología
OxiFuel que implica sacar el nitrógeno
del aire de combustión,
que reduce el volumen a tratar,
cualquier caso
debe enviar el CO2 a un sitio adecuado,
el que estará a mucha distancia de la planta.
Existen varios proyectos de captura a nivel global
de diversa escala con y sin secuestro,
aparte de investigación en universidades y centro de energía,
un ejemplo es In Salah en Argelia
con una capacidad de 17 millones
de toneladas de CO2 asociado a yacimientos de gas,
otro ejemplo es Sleipner
en Noruega con inyección aun acuífero salino
y capacidad para 20 mega toneladas
de CO2 asociado a yacimientos de gas,
un tercer ejemplo es la planta Boundary Dam Canadiense
que captura CO2 desde una unidad refaccionada.
El siguiente ejemplo es una planta piloto
contigua a la central Schwarze Pumpe alemana
usando el método OxiFuel.
Un ejemplo final
no se refiere a proyectos de capturas
sino a una posibilidad que está en esta ubicación
en Dinamarca capturando CO2 de una central a carbón y de una refinería
lo interesante es que
esta localidad esta encima de acuífero salino
que simplificaría completamente el transporte de CO2.
Esta figura
muestra el efecto de los sistemas de captura
en el consumo de carbono
para la misma generación se necesita una cantidad adicional de carbón
y por lo tanto habrá más emisiones de CO2
pero que se reduce con la captura
aun rango entre 80% y 90% del valor original.
El siguiente desafío es el secuestro del CO2
para lo cual es posible encontrar
dos grandes opciones, el secuestro geológico
y el secuestro oceánico o submarino,
cada uno con ventajas y desventajas,
que evita el CO2 de actividades industriales
y de generación termoeléctrica en la atmosfera,
si proyectamos un lado de este cubo
nos encontramos con más detalles.
Esta proyección detalla las opciones geológicas
que implica secuestro en zonas aptas
como yacimientos agotados o acuíferos salinos sin otros usos
y para la extracción asistida de nuevos recursos fósiles.
La otra familia de opciones
es la oceánica que implica disolver CO2 en el agua,
esta produce acidificación,
sin embargo se debe responder donde estará mejor el CO2
en el aire o en el mar,
parte de ese gas disperso sedimentara,
una mejor opción submarina es formar lagunas submarinas
submarinas que ocupan un pequeño volumen relativo de CO2 líquido
con alta estabilidad gracias al peso de la columna de agua,
para lo cual se requiere depositar ese gas
ese gas al menos a 3 mil metros de profundidad
quedando en estado líquido.
Un sistema sustentable
de captura y secuestro de carbono
requiere de una captura eficaz en la central termoeléctrica,
que posea la más alta eficiencia termodinámica
que ha batido
previamente agentes contaminantes que dañarían la captura
y sistemas de monitoreo para verificar
la efectiva retención del gas.
Recordemos que el carbón
es uno de los átomos claves que sostiene la vida,
el dióxido de carbono también es relevante para la vida en la tierra.
La mayoría parte de la energía que usamos
ahora proviene de los combustibles fósiles en especial el carbón,
por el tamaño de las unidades
es más simple intervenir
las unidades de carbón primero,
la tarea con otros fósiles se aprecia más difícil,
es posible esperar
una reducción del consumo del carbón
en la generación eléctrica en mediano plazo,
pero es posible ver una cantidad apreciable
de energía desde otras plantas termoeléctricas
con captura y secuestro del carbono,
más adelantes es posible esperar lo mismo
pero para las centrales a gas natural.
Este panorama se refiere a electricidad
que es una fracción pequeña de la energía que usa la sociedad,
es posible resumir
y concluir que el desarrollo sustentable
requiere seguir utilizando el carbón
y otros fósiles porque la superficie en la tierra
no sería suficiente para un remplazo oportuno
y viables exclusivamente con renovables,
se requiere de la combinación de fósiles con secuestro,
renovables y nucleares.
Finalmente frente al cambio climático en curso
se requieren mitigar sus emisiones.
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