4erasmo_orrantia

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

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25

TEMPERATURA DEL TERMOSTATO

26

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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