Reto Energético Mundial: Energías Renovables
Centro de Investigación en Materiales Avanzados, S. C.
Chihuahua, Chih., Septiembre de 2011
Crecimiento de la Poblaci贸n en la Tierra
TRANSFORMACIÓN DE LA TIERRA • > ½ de la superficie terrestre ha sido transformada por las actividades humanas
Consideraciones Generales • Consumo mundial actual de energía (13 TW=13,000,000,000,000 W; 0.2-12 KW/habitante) • Energía requerida para el 2050 (28 TW), de donde? • Producción mundial de petróleo, 25,000 millones-barriles/día (35 % del consumo mundial de energía) • Emisión actual de CO2, 9,000,000,000 ton/año • Emisión estimada para el 2050? • Calentamiento global? • Desastres naturales: incremento al nivel de los océanos • Alternativas
Alternativas • Uso racional de la energía • Uso de energía limpia renovable (28 TW?): 1. Hidroeléctrica 2. Eólica 3. Nuclear 4. Geotérmica 5. Biomasa 6. Solar
Consumo Mundial de Energía, 2009 5 4.5 4 3.5 3 TW 2.5 2 1.5 1 0.5 0
4.52
2.7
Economía Basada en Combustibles Fósiles
2.96
1.21 0.828 0.286 Oil
Gas
Coal
Total: 12.8 TW
Hydro
0.286 Biomass
Renewables
U.S.: 3.3 TW
México Consume aprox. 0.2 TW
Nuclear
Miles de millones de barriles por a帽o
Petr贸leo: Yacimientos y Producci贸n hasta 2005
Se incrementa la diferencia: reservas/producci贸n
Potencial de las energías renovables en la tierra El sol la más abundante
1.2 × 105 TW at Earth surface >>600 TW practical
Biomass
Tide/ocean currents
5–7 TW gross (All cultivatable land not used for food)
2 TW gross
Wind
2–4 TW extractable
Hydroelectric
4.6 TW gross 1.6 TW technically feasible 0.9 TW economically feasible 0.6 TW installed capacity
Geothermal
12 TW gross over land Small fraction recoverable
Energy gap: Courtesy of Nathan Lewis, CalTech
~ 14 TW by 2050
~ 33 TW by 2100
Costo Actual de la EnergĂa 1.9
2 .5 1 0.5
0.46
0.29
0.38
0.3
Coal
Gas
Oil
0.54
0 Wind
Nuclear
Solar
Intensidad de Carbono vs PIB per Capita
Registro de la Variaci贸n en la Temperatura en la Superficie de la Tierra (1850-2006)
La Tierra de Noche
Gas Natural • Reserva global = 210 billones de m3 Rusia (52 bm3), Irán (32 bm3), Qatar (30 bm3) • Consumo actual, 18 billones de m3 • Reservas para 20 años • Mezcla natural; 70-90 % etano, 10-20 % propano • Menos Contaminante que el Petróleo y que el Carbón
Energía a Partir de Carbón Mineral • Reservas globales 1.3 billones de toneladas • EU 26 %, Rusia 23 %, China 12 % • Consumo actual 3 000 millones de toneladas por año • Con 28 TW de consumo, se tendrían reservas para más de 200 años • Consecuencias ambientales? • Que hacer con el CO2?
CAPTURA Y ALMACENAMIENTO GEOLÓGICO DE CO2 El IPCC y el MIT han concluido que el uso de combustibles fósiles es sustentable si se aplican las tecnologías que actualmente se están desarrollando de captura y almacenamiento geológico del bióxido de carbono*. 40 Dls/Tonelada de CO2 360, 000, 000, 000 USA$/año 2.5 % PIB-USA 35 % PIB-México * Panel Intergubernamental de Expertos en Cambio Climático Tercer Reporte de Mitigación, 2007 Instituto Tecnológico de Massachusetts The Future of Coal. Options for a carbon-constrained world. An interdisciplinary MIT study. 2007
Consumo Energético Global por Año
1990: 12 TW
2050: 28 TW
Energía Hidroeléctrica Global • Total Teórico 4.6 TW •
Técnicamente factible 2.5 TW
•
Económicamente viable 1.9 TW
•
Capacidad Instalada hasta 2000 era de 0.6 TW
•
Producción en el 2000 fue 0.3 TW
•
(se podría llegar al 80% de la capacidad instalada)
Fuente: WEA 2000
Energía Eólica • 27% de la sup. terr. es clase 3-5 • Capacidad global instalada 90 000 MW • Producción global potencial 2TW • En MW instalada Alemania (20,600), España (11,600), USA(11600) • En los EUA, Dakotas, Texas y Oklahoma, total 0.3 TW (Total requerido 3 TW)
La Venta I
• Impacto en el clima regional si se quita 50 % de energía a la atmósfera • Conciliar la generación de energía eléctrica limpia con la supervivencia de aves migratorias. • Principal inconveniente es su intermitencia.
La Venta II Vientos 25 m/s Instalada 1.5 MW, potencial 2000 MW
Producción energía eólica mundial Capacidad total de energía eólica instalada (fin de año y últimas estimaciones) Capacidad (MW) Posición
País
2008
2006
2005
2004
1
USA
25.170
11.603
9.149
6.725
2
Alemania
23.903
20.622
18.428
16.628
3
España
16.754
11.730
10.028
8.504
4
China
12.210
2.405
1.260
764
5
India
9.654
6.270
4.430
3.000
6
Italia
3.736
2.123
1.717
1.265
7
Francia
3.404
1.567
757
386
8
Reino Unido
3.241
1.963
1.353
888
9
Dinamarca
3.180
3.136
3.128
3.124
Portugal
2.862
1.716
1.022
522
73.904
58.982
47.671
10
Total mundial
120.791
Diferentes tipos de generadores
Generadores microe贸licos
Energy Ball (Home Energy)
Greenerator (Jonathan Globerson)
Mini-aerogeneradores USA: 80 MW con 10,500 unidades 2008. 1,700 MW en 2013 UK 1,300 MW en 2020
Tarifas eléctricas de CFE para uso domestico
Consumo máximo
Tipo de tarifa Precio ($/kwh)
150
Básica
0.697
100
Intermedia
1.157
Excedente Alta
2.449
Recurso E贸lico en M茅xico
Energía Nuclear, Fisión U235 • Actualmente 490 plantas en el planeta • Producción máxima por planta 1,500
MW • Para producir 10 TW • Se requieren 10,000 nuevas plantas (1 cada 3er día por los próximos 50 años)
• Uranio reservas 3.5 millones ton. (3 % U235)
• Consumo actual 64,000 tons • 55 años de reservas • Que hacer con los desechos?
Electricidad de energía nuclear United States
20%
France
75%
Worldwide
14%
Energía Geotérmica
• Capacidad instalada 1.3 GW • Temperatura geotérmica normal: 200 C a 10 km de profundidad • Capacidad explotable 80 MW • Poca energía para su operación
Plantas GeotĂŠrmicas al 2008
Biomasa •
Depende de un proceso muy ineficiente: fotosíntesis (menos del 1 % de la radiación solar es aprovechada)
•
Producción actual 1.2 TW:70% plantas y granos, 20 % de desechos humanos y 10 % alcohol
•
Para producir 20 TW se requieren 600 millones de hectáreas (31 % de la superficie de la tierra
•
El etanol tiene el potencial de remplazar el 30 % de los combustibles en USA sin impacto en consumo de alimentos.
•
El Brasil será el provedor al mundo del 30 % de los bio-combustibles a partir del 2015
Energía Solar Fotovoltáica (FV) • Insolación depende de la ubicación geográfica • 20 mW/cm2 = 200 W/m2 • Total de energía luminosa que llega a la tierra 176,000 TW • Potencial 600 TW • 10 % de eficiencia de celdas solares 60 TW • En los EU, cubriendo todos los techos de las residencias actuales con celdas se producirían 0.25 TW
Área Requerida para 3.3 TW 3.3 TW requieren 160,000 Km2 de área cubierta con celdas (2/3 del Edo. del Chihuahua). Inversión al precio actual 20 billones (1012) de dólares
3.3 TW
Concepto de Celdas Solares Avanzadas con Multifunción Unión de diferentes materiales: mayor absorbancia del espectro solar
Múltiples uniones: transporte de carga en interfaces
Projected real-world concentrator efficiencies at 500 suns 39% 42% 42% GaInP 1.8 eV GaAs 1.4 eV
GaInP 1.8 eV New 1.25 eV
Ge 0.7 eV
2
Energy (eV)
3 4
In production Máxima eficiencia
1
Ge 0.7 eV
AlGalnP 2.2 eV GalnP 1.9eV
GaInP 1.8 eV GaInP 1.4 eV New 1.0 eV Ge 0.7 eV
Future generation
GalnP 1.9eV
AlGaAs 1.6 eV
GalnP 1.9eV
GalnAs 1.4 eV
GalnAs 1.4 eV
GalnP 1.9eV
GalnP 1.9eV
GalnAs 1.4 eV
Galn Nas 1.0 eV
Galn Nas 1.1 eV
GalnAs 1.2 eV
GalnAs 1.4 eV
Ge 0.7 eV
Ge 0.7 eV
Ge 0.7 eV
Ge 0.7 eV
Galn Nas 1.0 eV
ŋth = 52.4%
63.1%
58.7%
59.0%
57.3%
a
b
c
d
e
80 70 60
Con Concentración de Luz Solar
Limite Teórico
50
40 30
Mono Policristalin Cristal o
20 10 0 1
GaA Ga s Lift A/sG/Gee Lif-toff -off
2
3
Numero de uniones
4
5
El suministro y el consumo energĂŠtico en las viviendas autosustentables
Consumo de energ铆a Sin calefacci贸n y/o aire acondicionado Otros electrodom茅sticos Plancha
Lavadora de ropa
Iluminaci贸n Televisor
Refrigerador
COLECTORES SOLARES
Sistema Hidráulico Piso Hidronico (Calefaccion)
•Ahorro del 40% •Se conecta al boiler solar •Precio estimado $60,000
Prototipo B Prototipo B Prototipo B
ACABADOS Y DETALLES Muro para ocultar instalaciones
Cubierta Sedum de bajo mantenimiento
Tinaco Rotoplas con Biodigestor autolimpiable
Calentador Solar
Captacion de agua pluvial
Sistema Hidr谩ulico Captaci贸n de agua pluvial
Eficiencia EnergĂŠtica
TEMPORADA DE VERANO COSTO DE ENERGÍA
9000 8000 7000
COSTO
($)
6000 5000 4000 3000 2000 1000 0 16
17
18
19
20
21
22
23
24
25
TEMPERATURA DEL TERMOSTATO
26
27
28
29
30
Conclusiones • La necesidad de energías alternas a precio razonable es evidente. • Políticas socio/económicas que incentiven el desarrollo de energías limpias. • Esfuerzo internacional (proyectos Manhattan y Apolo). • Desarrollo de sistemas de almacenamiento. • Retos científico/tecnológicos
“It’s tough to make predictions, especially about the future.” - Yogi Berra