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.
Transporte sustentable
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Del curso dictado por Pontificia Universidad Católica de Chile
Explorando la Energía Sustentable
62 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]
Bienvenidos a esta nueva sesión del curso Energías Sustentables,
mi nombre es Julio Vergara,
profesor de la escuela de ingeniera UC,
en esta ocasión
se conocerán los desafíos energéticos del transporte actual,
explorando mecanismos para reducir
el impacto del transporte y conocer algunas tecnologías avanzadas en este sector.
El transporte
es una demanda derivada
de la economía moderna y de la vida diaria,
es necesario para el desarrollo sustentable,
se transportan materiales, bienes intermedios, finales, así como personas
en diferentes tiempos, modos, vehículos y escalas.
Las actividades económicas y sociales
se realizan según la disponibilidad de transporte y viceversa.
La geografía tiene importancia en definir los tiempos y modos.
La historia del transporte masivo es reciente,
de los últimos siglos,
en algún momento el hombre fue capaz de construir una canoa
y comenzó a moverse en el mar,
hasta que los vikingos crearon una galera a remo, asistida por viento,
hasta la aparición del vapor, el transporte marítimo era velero,
y los carros se tiraban por animales
y estas eran las únicas opciones fiables,
Desde comienzo del siglo 19,
el vapor empieza a independizar el transporte del clima,
mejorando la velocidad en buques y trenes que acortan las distancias,
surgen las turbomáquinas
y a contar de mediados de los años 50, la propulsión nuclear.
A comienzo del siglo pasado pactan también tímidamente los motores diésel
y bencineros que flexibilizan la propulsión de diferentes vehículos
y permiten el paso de la sustentación aerostática a la aerodinámica.
Los turbopropulsores jet a mediados de los años 50
comienzan a tomar el transporte de pasajeros
a largas distancias y consolidarlo, quedando los trenes y buses con viajes cercanos
y los buques con la carga de mayor volumen.
Los modos convencionales
de transporte son, el aéreo,
marítimo, ferroviario, caminero, fluvial,
pero también puede ser el humano o animal.
Se pueden apreciar acá ejemplos de modos convencionales de transporte,
ferroviario, marítimo, fluvial y caminero.
Cada uno requiere infraestructura y vehículos afines al medio.
El transporte requiere instalaciones, vehículos y operadores.
Las instalaciones son vías, túneles, puentes, terminales, grúas,
almacenamiento.
Los vehículos son los dispositivos para transportar la carga o las personas,
los típicos son, autos, motos, buses, en caso terrestre,
buques en el caso marítimo,
aviones en el caso aéreo
y trenes o tranvías en el caso terrestre.
Los vehículos requieren propulsión y energía
y por ende pueden producir emisiones.
Se pueden apreciar acá ejemplos de instalaciones como terminales aéreos,
marítimos, multimodales y puentes.
El transporte de pasajeros se mide en personas-kilometro
o RPK,
sirve para moverse al trabajo, a lugares de placer, logística y residencia,
los medios típicos son el auto, el bus, la moto, el tren de pasajeros y el avión.
El transporte de carga se mide en toneladas-kilómetros o CTK,
sirve para mover granel, líquidos, productos finales
y los medios típicos son el camión, el tren de carga y el buque.
También hay aviones especializados de carga,
pero con un volumen mucho menor al de los buques.
Ambos segmentos, pasajeros y cargas
presentan desafíos, impactos
y externalidades.
Se pueden apreciar acá ejemplos típicos de medios por modo de transporte,
en el modo aéreo se ven helicópteros y aviones comerciales,
en el modo marítimo se ve un portacontenedor
y un transatlántico,
en el modo caminero se ve un auto, buses y un camión.
Cierra estos ejemplos un tren de pasajeros de alta velocidad en el modo ferroviario
y un gasoducto para el modo de transporte de recursos energéticos por ducto.
La cantidad de vehículos
usados en el transporte es inmensa,
de lo cual se pueden inferir posibles externalidades.
En el caso de los vehículos privados, se estiman en 980 millones de unidades
más 350 millones de vehículos comerciales.
Los buques de carga y de pasajeros se estiman en 107,000 unidades
descontando pequeños pesqueros y lanchas,
los buques de guerra deben sumar más de 3,000 unidades.
La extensión ferroviaria se estima en un millón de kilómetros,
con decenas de miles de carros y locomotoras.
Se estiman 25,000 aviones comerciales para transportar
3,500 millones de pasajeros anuales
y 150 gigatoneladas a kilómetro de carga,
además de otros 15,000 aviones medianos y de guerra.
Si volvemos al diagrama del flujo de energía que va desde las fuentes
a los usos, nuestro tema hoy se restringe al transporte,
que aparece a la derecha abajo,
el cual depende principalmente del petróleo
con algo menos de otros tipos de combustibles.
Nuestro problema demanda un consumo de 120 exajoules de energía,
con claro dominio fósil,
aunque también tiene menor uso de biocombustibles, de electricidad y de gas.
En este cuadro es posible comparar el requerimiento energético de transporte
con el consumo final de energía
y la producción total de energía de cada año,
al año 2 014, el transporte con 120 exajoules,
representaba el 31% del consumo final y el 21% de la producción de energía primaria,
siendo principalmente los fósiles los combustibles que participan en el sector
con las correspondientes emisiones de gases de efecto invernadero.
La participación modal de energía en el transporte
se reparten en más de tres cuartos en caminos,
casi 12% en aeronáutico, casi 10% en oceánico y menos del 2% en ferroviario.
La paradoja es que el modo que más consume energía
es el más atomizado y por ende el más difícil de mitigar,
el segmento más fácil de mitigar directamente es el ferroviario,
le sigue el marítimo,
el modo aéreo también se vislumbra difícil.
¿Por qué y para qué consume energía el transporte?
En primer lugar, para producir los vehículos
de distintos tipos y hacerlos llegar a sus destinos.
En segundo lugar, para operar
vehículos son sus medios,
en tercer lugar, para producir materiales y levantar infraestructuras,
operar elementos de instalaciones como vías y terminales,
y operar dispositivos como grúas y puentes.
Los vehículos consumen energía y combustible por varias razones,
para obtener rapidez, para tomar altura,
para luego sustentarse
y vencer la fricción al avance en el medio,
para sobreponerse al viento y las olas,
así como para poder rodar,
finalmente para cubrir las necesidades de los pasajeros,
el oxígeno, alimentos o de la carga, refrigeración y ventilación.
La energía es un elemento importante en el funcionamiento del transporte.
Una firma de transporte de pasajeros o carga
gasta un cuarto a un tercio de sus ingresos en combustible o en electricidad,
un servicio de transporte rápido va a gastar más aun,
lo anterior no considera posible gravámenes
a la emisión de gases de efecto invernadero.
Al comienzo la energía era fuerza humana,
luego fue renovable, principalmente la vela en los buques.
Sustituida progresivamente
desde el siglo 19 por el carbón y desde el siglo 20 por el petróleo.
Hoy dominan los derivados del petróleo con más de 90%,
los demás combustibles tienen una participación minoritaria,
con gas natural con menos del 4% y biocombustibles con menos del 3%,
electricidad y energía renovable, que pareciera lógico, apenas supera el 1%,
carbón se usa en vehículos antiguos y nuclear solo en vehículos de guerra.
En transporte dominan los derivados del petróleo
conformados por gasolina y otros derivados del petróleo,
kerosene y más lejos el gas,
aunque este último se espera que crecería más en términos relativos,
cualquiera sea el combustible, cada kilo de combustible
emite cerca de tres kilos de CO2,
un poco menos de dos tercios del consumo energético del transporte
es usado en personas
y un poco más de un tercio del transporte es usado en carga.
Las emisiones del segmento de pasajeros
se mide en masa de CO2 por persona-kilómetro.
El medio de transporte menos emisor por persona es el tren,
porque domina la propulsión eléctrica y transporta muchas personas,
donde las emisiones son principalmente las de la generación eléctrica,
le sigue el bus por la cantidad de personas,
en el otro extremo se ve el avión, el auto y el buque,
el auto emite un rango amplio según como se use y acelere,
lo que depende de la arquitectura urbana y rural.
El avión emite más del doble de un bus por persona por el foco en la velocidad.
El buque domina en emisiones porque el actual transporte recreacional
de alta velocidad o lujo.
La participación modal en persona es de 80% en vehículos terrestres, 17% en avión,
seguido por el tren y el buque.
El modo que más crece en términos relativos es el tren,
las emisiones del segmento de carga se miden
en masa de CO2 por tonelada/kilometro,
el medio de transporte menos emisor es el buque,
a pesar que casi todo el combustible es petróleo,
con una parte en petróleo pesado,
por el volumen y el peso que es capaz de abarcar,
haciéndolo además a muy baja velocidad,
le sigue en intensidad de emisiones el tren, por el gran volumen transportado.
Le sigue a su vez el camión, lo que demuestra que el transporte de carga
debe transitar desde el camión al buque y el tren.
En el extremo alto se ve el avión,
que emite hasta 100 veces más por unidad de masa transportada que el buque,
aunque el primero transporta más materiales
y el ultimo transporta bienes finales de alto valor,
la participación modal de carga es 59% en vehículos terrestres,
30% en buque
y 7% en tren.
El modo que más crece en términos relativos es el camión.
Los principales desafíos del transporte son mejorar la movilidad en varios países,
reducir el nivel de ruido en el transporte, mejorar la seguridad y reducir lesiones,
aminorar la creciente congestión,
eliminar agentes que afectan la salud, reducir el consumo de energía
y con ellos las emisiones de gases de efecto invernadero.
El actual consumo,
de 120 exajoules al año del sector transporte, puede llegar a un rango de 140 a 185 anuales
al año 2050, equivalente a toda la energía primaria en los años 60,
las emisiones de este sector, de 7 gigatoneladas de CO2 al año,
puede llegar a valores de entre 10 y 14 gigatoneladas de CO2 anuales al año 2050,
equivalentes a todas las emisiones del año 1960.
Esta es la proyección del consumo de energía en exajoules hacia el año 2050
por medio de transporte,
que parte en la vecindad de los 120 exajoules en el presente,
en el que se ve el mayor crecimiento relativo
del sector transporte y aeronáutico,
esta a su vez, es la proyección de emisiones del sector transporte
en gigatoneladas de CO2 anuales hacia el año 2050 por modo de transporte.
Hoy en la vecindad de los siete exajoules
y que se ve el mayor crecimiento relativo del sector terrestre y aeronáutico.
El sector terrestre debe mitigar emisiones
y parece ser uno de los sectores más difícil, dada la dispersión de vehículos.
Algunas soluciones genéricas son,
gestión de modos,
por ejemplo, cambio modal, forma de uso y velocidades,
cambios tecnológicos y propulsivos, por ejemplo, eficiencia,
peso, sustentación y otros,
y combustibles alternativos que tengan baja emisión de gases de efecto invernadero.
La reducción
es compleja y esta tabla la muestra por modo de transporte,
en gestión de modos se esperan nuevas vías, teletrabajo y ferrocarriles
en el modo terrestre,
en el aeronáutico se esperan cambios modales y gestión de rutas,
en el marítimo se esperan puertos agiles, mejor predicción climática y mayor tamaño.
En tecnología se espera sistemas híbridos, celdas de hidrogeno
y materiales en el modo terrestre,
en el aeronáutico se esperan nuevas formas de sustentación, nuevos materiales
y reducción de arrastre,
en el marítimo se esperan aumentos propulsivos, propulsores avanzados,
nueva sustentación y reducción de olas,
en combustibles alternativos se espera electrificación libre carbono,
hidrogeno, biocombustibles y combustibles sintéticos, en todos los sectores.
En el sector marítimo se espera [?] asistencia eólica y nuclear
por las bajas emisiones,
este cuadro muestra un ejemplo por área de reducción
de emisiones y modo de transporte,
en gestión de modos se esperan nuevas vías
y terminales multimodales,
en tecnologías se esperan nuevos sistemas propulsivos, sustentación de materiales
y en combustibles alternativos se esperan biocombustibles e hidrogeno.
El siguiente cuadro,
muestra un ejercicio de reducción para el modo de transporte marítimo,
al año 2010 el sector emitía 0.3 gigatoneladas de carbono cada año,
una proyección lleva las emisiones
a un rango entre 0.5 a 0.75 gigatoneladas de carbono anuales al año 2050.
En este modo de transporte es posible reducir las emisiones
mediante, refinamiento de emisión, reducción de resistencia propulsiva,
selección de propulsor, ajuste del propulsor al casco y fuentes de poder,
correcta selección de la fuente de poder, aumentos propulsivos
y nuevos combustibles que logran estabilizar las emisiones,
pero no logran mitigar las emisiones.
Lo anterior, se muestra en este diagrama, partiendo de una trayectoria esperada
de emisiones, aplicando
mejor gestión, nuevas tecnologías, combustibles alternativos,
es posible llegar a un nivel de emisiones levemente
más alto que la actual, sin embargo para llegar a un escenario RCP 2.6
falta un trayecto relevante que el sector no puede abordar,
la única manera seria mediante combustibles sintéticos con refinerías terrestres
que exige una elevada producción de hidrogeno.
El hidrogeno, se puede producir con cualquier combustible.
De hecho, hoy se produce principalmente por reformado de gas natural,
que implica emisiones de gases de efecto invernadero,
se espera una transición en su producción a tecnologías libres de estos gases,
la tecnología de esta aplicación está más madura en el uso final
y en la producción, pero aún esta deficitaria
en el sector de transporte y en la fase de almacenamiento.
Finalizamos, señalando que el transporte de personas
y de carga es reciente y se relaciona con la vida moderna
en distintos modos, usando diferentes tipos de vehículos, los que requieren propulsión
y consumen combustibles y energía para su uso,
por esto presentan desafíos,
impactos y externalidades que son difíciles de mitigar.
Se revisaron los desafíos energéticos del sector transporte,
actual y futuro, que está dominado por el petróleo,
el 40% del consumo de energía,
en el transporte, es de los vehículos terrestres livianos,
le sigue el segmento de carga
en camiones con 23%,
el segmento de pasajeros aeronáuticos con 12% y el de carga marítimo con 11%,
se han enunciado algunas tecnologías de transporte
y aquellas que posibilitan la mitigación de CO2.
Con ejemplos acerca de las escalas de las soluciones,
donde el hidrógeno puede hacer una diferencia,
hasta una próxima oportunidad.
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