Capítulo 3 - Ministerio de Energía y Minas
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Capítulo 3 La tecnología de la producción de energía 3.1 La energía en el mundo De toda la energía primaria consumida en el mundo, aproximadamente el 80% proviene de combustibles fósiles (petróleo, carbón y gas natural); asimismo, un 11% proviene de la biomasa (leña, restos vegetales, estiércol), la que se consume principalmente en los países en desarrollo con muy poca eficiencia. El consumo mundial de energía ha venido aumentando en los últimos años (aproximadamente 14%), debido principalmente al incremento de la población mundial, así como al desarrollo industrial y a la mejora de las condiciones de vida de los países en vías de desarrollo que va ligado a un aumento del consumo de energía. Se prevé que el consumo de energía mundial crecerá entre el 3% y 5% durante unos cuantos años más; sin embargo, se estima que el consumo decrecerá entre 1,6% y 2,5% en los próximos 25 años. Los principales sectores consumidores de energía primaria son las centrales eléctricas, el transporte, las industrias, entre otros, tales como la calefación y la cocina en el sector doméstico. En el caso de la generación eléctrica, el consumo de energía primaria ha venido creciendo debido a que la electricidad se está convirtiendo en la forma preferida de la energía para todos los usos energéticos. En el mundo, el carbón es actualmente la mayor fuente de energía primaria usada para generar electricidad en centrales térmicas. En cambio, todas las fuentes de energías renovables combinadas representan solo cerca del 20% de cuota de producción de electricidad, siendo la energía hidroeléctrica la que proporciona casi el 90% de ella. Sin embargo, las tecnologías que usan energías renovables (energía eólica y solar) para generar electricidad en centrales eléctricas han incrementando su participación en los últimos veinte años y son cada vez más rentables. En la medida que estas tecnologías maduren y tengan costos de generación más competitivos en el futuro, estarán en condiciones de reemplazar a los combustibles fósiles para la generación de electricidad. Por ello, se considera a la energía renovable como una importante estrategia de reducción de las emisiones de CO2 a la atmósfera en la lucha contra el cambio climático global. Según previsiones de la Agencia Internacional de la Energía (IEA) al 2035, la demanda de todos los combustibles en el mundo aumentará, pero la proporción de los combustibles fósiles descenderá, en especial el petróleo; en cambio el gas natural aumentará su cuota en la combinación energética mundial. En el sector eléctrico, se prevé que se usarán más las tecnologías de generación de electricidad basadas en energías renovables (principalmente la energía hidroeléctrica y la eólica), lo que representará la mitad de la nueva potencia instalada de centrales eléctricas para responder a la creciente demanda mundial de energía. En cuanto a la energía nuclear, el accidente ocurrido en la central nuclear de Fukushima (Japón) en el año 2011 ha ocasionado un cuestionamiento de la energía nuclear en el futuro, aunque no ha inducido cambios en las políticas energéticas de países como China, India, Rusia o Corea, que están procediendo a la expansión de esta fuente de energía. Resultado de ello es que al 2035 se prevé un incremento de la producción nuclear a más de un 70%. MINISTERIO DE ENERGÍA Y MINAS 41 3.2 La cadena de la energía Las fuentes de energía primaria, como el petróleo o crudo, hidroenergía, gas asociado, energía eólica, etc., necesitan ser transformadas antes de su utilización como electricidad o combustibles derivados apropiados para los consumidores. En la industria energética se distinguen diferentes etapas: la producción de energía primaria, su almacenamiento y transporte en forma de energía secundaria, y su consumo como energía final. Por ejemplo, la energía mecánica de un salto de agua es transformada en electricidad, y al llegar al usuario esta puede ser utilizada en diversas aplicaciones (iluminación, refrigeración, calefacción, etc.). A nivel del usuario, muchas formas de energía son sustituibles con otras, dependiendo de la aplicación. Esta serie de transformaciones implican una cadena energética, por ejemplo, la cadena petrolífera que incluye: extracción, transporte, refinado y distribución. Cadena de la energía Energía primaria Centros de transformación Energía secundaria Centros de consumo Petróleo Carbón Gas natural Biomasa Refinería Central térmica Gasolina/ Diésel Residual/GLP Electricidad Transporte Industria Eólica Hídrica Residencial Olas Solar Geotérmica Calor Servicios Fig. 3.1 En la cadena de la energía, la energía primaria, tal como se encuentra en la naturaleza, se transforma antes de ser utilizada como electricidad o combustibles apropiados para los consumidores finales. 42 MINISTERIO DE ENERGÍA Y MINAS En el Perú, las fuentes de energía primaria que han venido explotándose desde hace muchas décadas, son el petróleo, la hidroenergía, y la biomasa (principalmente la leña como combustible en zonas rurales y el bagazo en los ingenios azucareros). Desde el año 2004, con la llegada del gas natural de Camisea a Lima y Callao, se ha dado un gran impulso a esta energía que solo se venía usando en Piura a pequeña escala (gas asociado a los pozos de petróleo). En el año 2012, ya se han puesto en marcha dos centrales eléctricas fotovoltaicas en Arequipa que usan la energía solar; asimismo, a partir del año 2013 habrán entrado en operación centrales eólicas que aprovecharán el viento en las zonas de Piura, Chiclayo e Ica. 3.3 La cadena de la electricidad La industria de la energía eléctrica en el Perú se encuentra dividida en tres subsectores: i) Generación: Consiste en la producción de electricidad en centrales eléctricas a través de diversas fuentes; en el Perú las centrales hidroeléctricas generan cerca del 56% de la electricidad y un 44% las centrales térmicas (principalmente con gas natural, y en menor medida Diésel B5 y carbón). En el país existen unas 29 centrales eléctricas, con una potencia total instalada de 6746,3 MW, siendo las principales empresas de generación: EDEGEL (1474,2 MW), ENERSUR (1034,2 MW) y ELECTROPERÚ (964,5 MW). ii) Transmisión: La finalidad de esta actividad es transferir la energía eléctrica de alta tensión o voltaje (66 kV, 220 kV, 500 kV, etc.) desde las centrales eléctricas generadoras hacia las subestaciones de las empresas de distribución, recorriendo grandes distancias en el territorio nacional. El sistema de transmisión está conformado por un conjunto de líneas (cables conductores), torres y subestaciones donde hay unos transformadores que elevan o reducen la tensión para permitir las interconexiones. En el Perú existen unas 10 empresas de transmisión, las que en conjunto manejan 2263,7 km de líneas de transmisión, siendo las principales empresas: ABENGOA, TRANSMANTARO y RED DE ENERGÍAS DEL PERÚ (REP). iii) Distribución: La distribución de la electricidad la realizan las empresas distribuidoras, las que están encargadas de recibir energía de las generadoras o transmisoras y llevarlas hacia el usuario final en condiciones controladas (voltaje, frecuencia, calidad) con la finalidad de asegurar un suministro confiable. Las líneas de distribución operan a menor tensión o voltaje que la línea de transmisión, a través de redes de media (10 kV) y baja tensión (440 V, 220 V), mediante las cuales se lleva la electricidad desde las subestaciones hasta los hogares, comercios y fábricas. Las empresas de distribución realizan el mantenimiento periódico de las redes eléctricas; efectúan la lectura de los medidores, facturan, reciben los pagos y luego transfieren el dinero que les corresponde a las empresas generadoras y transmisoras. En el Perú hay unas 10 empresas distribuidoras, siendo las más importantes: ELECTROSUR, ELECTRONORTE Y ELECTRODUNAS. A nivel de Lima existen las empresas distribuidoras LUZ DEL SUR y EDELNOR. MINISTERIO DE ENERGÍA Y MINAS MINISTERIO DE ENERGÍA Y MINAS 43 Red eléctrica Embalse de agua Central eléctrica Transmisión Generación Estación transformadora Río Subestaciones Estación transformadora Distribución y consumo Fig. 3.2 En la cadena de la energía, la electricidad generada en una central eléctrica es transportada y distribuida a los usuarios finales, pasando por subestaciones donde se eleva y reduce la tensión (voltaje). En resumen, la energía eléctrica que consumimos pasa por una cadena de tres eslabones: la generación, la transmisión y la distribución, de tal manera que en cada etapa la energía tiene un costo y se producen pérdidas técnicas (emisión de calor por efecto joule) y no técnicas (hurto de energía), siendo el resultado final que no todo el 100% de la energía generada llega al usuario final, sino aproximadamente un 90%. 3.4 Tecnologías para la generación de energía La electricidad es la forma de energía más usada por el hombre en la actualidad y su generación en las centrales eléctricas ha llegado a niveles de alta sofisticación; asimismo, su transporte mediante líneas de transmisión y distribución le permite llegar a lugares lejanos de forma económica y eficaz. La generación de electricidad a gran escala se realiza en unas instalaciones que se denominan centrales eléctricas, que constituyen el primer escalón del sistema de suministro eléctrico. 44 MINISTERIO DE ENERGÍA Y MINAS MINISTERIO DE ENERGÍA Y MINAS En función de la fuente de energía primaria utilizada en las centrales eléctricas, sean energías renovables o no renovables, se pueden clasificar tal como se muestra en el siguiente esquema: Clasificación de las centrales eléctricas Centrales eléctricas No renovables Renovables Hidroeléctrica Solar Eólica Marina Biomasa Térmica Nuclear Geotérmica A continuación se hará una breve descripción de los diferentes tipos de centrales eléctricas, según el esquema presentado. 3.4.1 Centrales que usan energías renovables a) Centrales hidroeléctricas Son centrales que generan electricidad aprovechando la energía potencial del agua embalsada en una presa que se ubica a una mayor altura que la central eléctrica misma. Cuanto mayor es la masa de agua y más alto se ubique el embalse, mayor será la energía que se pueda generar, de acuerdo a la siguiente ecuación: Ep = m ∙ g ∙ h Donde Ep es la energía potencial; m es la masa de agua; g es la constante gravitacional y h es la altura del embalse con respecto a la central. Para instalar una central hidroeléctrica, es necesario construir un embalse o presa en el cauce de algún río, desde el cual se toma el agua que se deriva a la sala de máquinas de la central eléctrica ubicada a menor altura, transformando la energía hidráulica en energía eléctrica. La generación de energía eléctrica se produce por acción del flujo de agua a presión que mueve los álabes de una turbina, que a su vez acciona un generador, produciendo electricidad que luego se inyecta a la red eléctrica. En el Perú la central hidroeléctrica de mayor capacidad es la Central Santiago Antúnez de Mayolo de ELECTROPERÚ, ubicada en Huancavelica, con una potencia de 798 MW. La presa que alimenta el agua a dicha central se llama Tablachaca y tiene una altura de 77 m. MINISTERIO DE ENERGÍA Y MINAS 45 Las centrales con potencias menores a 20 MW se denominan centrales minihidráulicas y por lo general el agua la captan directamente de algún río o canal, sin el empleo de embalses. Red eléctrica Transformador Presa Generador Embalse de agua Usuarios de energía Turbina Río Fig. 3.3 En una central hidroeléctrica el agua embalsada cae por gravedad hacia una turbina hidráulica, acoplada a un generador, la que transforma la energía hidráulica en energía eléctrica, que se transmite a través de la red eléctrica. b) Centrales eólicas En las centrales eólicas se aprovecha la energía cinética del viento, convirtiéndola a energía eléctrica mediante unas máquinas llamadas aerogeneradores o turbinas eólicas. Un aerogenerador está conformado por dos elementos principales: un rotor, compuesto por un eje y tres álabes o aspas, que es accionado por el viento; y un generador que se mueve por conexión con el rotor. Los rotores de los aerogeneradores normalmente giran entre 60 RPM a 70 RPM (revoluciones por minuto); mientras que los generadores normalmente trabajan a unas 1500 RPM, por lo que para adecuar las distintas velocidades de trabajo de estos dos elementos se intercala unos engranajes que aumentan la velocidad de rotación del rotor a la requerida por el generador. Por lo general, los aerogeneradores comienzan a generar energía con una velocidad del viento de 4 m/s, entregando su potencia máxima a velocidades de 12 m/s a 15 m/s, siendo necesario sacarlos de servicio cuando el viento alcanza los 25 m/s. La mayoría de centrales eólicas conectadas a la red en el mundo están compuestas por aerogeneradores de una potencia individual entre 500 kW y 2,5 MW. En el caso de centrales eólicas ubicadas en el mar, se están usando aerogeneradores de 4,5 MW a 6 MW. 46 MINISTERIO DE ENERGÍA Y MINAS Transmisión Aspas Generador eléctrico Viento Aerogenerador Red eléctrica Sistemas de control Transformador Fig. 3.4 En una central eólica la energía cinética del viento es convertida en energía eléctrica mediante aerogeneradores. La electricidad producida en los generadores se transmite a través de la red eléctrica. c) Centrales solares Una central solar es aquella donde se aprovecha la radiación proveniente del Sol para convertirla en calor o electricidad mediante unos dispositivos que captan la radiación y la transforman en otra forma de energía compatible con la demanda que se pretende satisfacer. Las centrales solares pueden ser de dos tipos: solar térmica y solar fotovoltaica. A continuación se describe cada una de ellas. Energía solar térmica En estas centrales la radiación del Sol es convertida en calor, siendo su principal componente un captador por el cual circula un fluido que absorbe la energía irradiada por el Sol. De acuerdo a la temperatura de trabajo se puede clasificar el aprovechamiento en alta, media y baja, siendo sus límites: • Hasta 100 °C : de baja temperatura. • Desde 100 °C hasta 300 °C: de mediana temperatura. • Mayores a 300 °C: de alta temperatura. MINISTERIO DE ENERGÍA Y MINAS 47 En los sistemas de alta temperatura se usan grandes instalaciones en las que el principal elemento es un campo de helióstatos o espejos direccionales de grandes dimensiones que reflejan la luz del Sol y concentran los haces reflejados en una caldera situada sobre una torre de gran altura, donde se pueden alcanzar temperaturas superiores a los 1000 °C. En la caldera, el aporte calorífico de la radiación solar reflejada es absorbido por un fluido térmico. Dicho fluido es conducido hacia un generador de vapor, donde transfiere su calor a un segundo fluido (agua), que convertido en vapor, acciona los álabes de una turbina de vapor conectada a un generador eléctrico. El fluido es posteriormente condensado en un aerocondensador para repetir el ciclo. Central solar térmica 1 Campo de helióstatos 2Caldera 3Torre 4 Almacenamiento térmico 5 Generador de vapor 6Turbina-generador 7Aerocondensador 8Transformador 9 Red eléctrica 2 3 1 4 7 9 8 5 6 Fig. 3.5 Central solar térmica. La energía del Sol captada por los helióstatos sirve para generar vapor de alta presión que acciona una turbina acoplada a un generador eléctrico. La electricidad producida se transmite a través de la red eléctrica. En las aplicaciones de mediana temperatura, normalmente se utilizan colectores parabólicos, los que concentran la radiación solar en un tubo colector encargado de recibir y transmitir el calor, alcanzando valores de temperatura de hasta 300 °C. Energía solar fotovoltaica El término fotovoltaico resulta de la unión de dos palabras: foto, que significa luz, y voltaico, que significa electricidad. La Tecnología fotovoltaica es un sistema físico que convierte la energía solar en energía utilizable, generando electricidad a partir de la luz solar. 48 MINISTERIO DE ENERGÍA Y MINAS El corazón de la tecnología fotovoltaica (FV) es una celda de material semiconductor (silicio) capaz de liberar electrones, es decir partículas con carga negativa que son la base de la electricidad. Todas las celdas FV tienen dos capas de semiconductores, una con carga positiva y otra con carga negativa. Cuando brilla la luz en el semiconductor, el campo eléctrico presente en la unión entre estas dos capas hace que fluya la electricidad, generando una corriente continua (CC). Cuanto mayor sea la intensidad de la luz, mayor será el flujo de electricidad. Los componentes de un sistema fotovoltaico dependen del tipo de aplicación que se considera (conectada o no a la red) y de las características de la instalación. En el caso de una instalación aislada está conformada por los equipos siguientes: Celda fotovoltaica: Es donde se produce la conversión fotovoltaica por la incidencia de la radiación luminosa sobre las celdas, creando una diferencia de potencial y una corriente eléctrica aprovechable. Las celdas más empleadas son las de silicio cristalino. Módulo fotovoltaico: Son un conjunto de celdas fotovoltaicas conectadas entre sí, que generan electricidad en corriente continua. Panel fotovoltaico: Es un conjunto de módulos fotovoltaicos conectados entre sí. Regulador de carga: Tiene por finalidad proteger a la batería contra las sobrecargas y contra las descargas. Batería: Dispositivo donde se almacena la energía eléctrica generada. Las batería se carga durante el día y se descarga durante la noche por la utilización. Inversor: Transforma la corriente continua (12 V, 24 V o 48 V), generada por las paneles fotovoltaicos y acumulada en las baterías, a corriente alterna (220 V y 60 Hz). En el caso de los sistemas fotovoltaicos conectados a la red, los paneles fotovoltaicos son los mismos que se emplean en instalaciones aisladas, pero debido a que la energía producida se inyecta directamente a la red eléctrica, no se usan baterias ni regulador de carga. El Sol es una fuente de energía inagotable. Los rayos solares inciden perpendicularmente sobre los paneles solares y producen un efecto fotoeléctrico. Red eléctrica Luz solar Cristal Rejilla metálica de contacto Paneles fotovoltaicos Recubrimiento antireflectante Celda fotovoltaica Contacto negativo Contacto positivo Contactos eléctricos El silicio es el principal componente de los paneles solares fotovoltaicos. Se genera corriente eléctrica continua. El inversor trasnforma la corriente continua que se genera en las celdas, en corriente alterna lista para su consumo. Fig. 3.6 Central solar fotovoltaica. La energía del Sol que incide en los paneles fotovoltaicos genera una corriente eléctrica continua que es convertida en corriente alterna, que luego se transmite a través de la red eléctrica. MINISTERIO DE ENERGÍA Y MINAS 49 d) Centrales marinas El mar tiene una enorme capacidad de captar y acumular energía, y desde hace unas décadas se han desarrollado una serie de tecnologías para aprovechar su energía en la generación de electricidad. A continuación se describen las principales tecnologías desarrolladas por el hombre: Energía de las mareas o mareomotriz: Consiste en el aprovechamiento de la energía potencial de las mareas por el ascenso y descenso del nivel del agua del mar en virtud de la acción gravitatoria del Sol y de la Luna, en especial en aquellos lugares de la costa en los que la diferencia de nivel entre marea alta y baja difieren más de cinco metros. En una central mareomotriz se almacena agua en un embalse que se forma al construir un dique con unas compuertas que permiten el ingreso del agua (puede ser de una bahía, cala, río o estuario) cuya energía se aprovechará. Cuando la marea sube, las compuertas del dique se abren y el agua ingresa en el embalse. Al llegar el nivel del agua del embalse a su punto máximo se cierran las compuertas. Cuando la marea baja el nivel del mar desciende por debajo del nivel del embalse, y cuando la diferencia de nivel entre ambos alcanza su máxima amplitud, se abren las compuertas dejando pasar el agua a presión a través de una red de conductos donde se ubican unas turbinas que giran por el flujo del agua a presión, las que a su vez mueven unos generadores que producen electricidad. Dique Mar Embalse Turbina Dique Embalse Mar Turbina Fig. 3.7 Central mareomotriz. Aprovecha la diferencia de nivel de las mareas para represar agua que luego se hace pasar por una turbina hidráulica acoplada a un generador eléctrico que produce electricidad. La turbina funciona en ambos sentidos del flujo del agua del mar. En la costa peruana la diferencia de nivel entre la marea alta y baja es de solo un metro, pero hay otros lugares en el mundo donde la diferencia de niveles llega hasta 18 metros, razón por la cual existen cerca de 40 centrales de energía mareomotriz en el mundo. La primera se construyó en Rance (Francia) y funciona desde 1967; tiene una capacidad de 240 MW. La segunda se ubica en el mar de Barentz (Rusia); cuenta con una capacidad de 400 KW y opera desde 1968. 50 MINISTERIO DE ENERGÍA Y MINAS Energía de las olas o undimotriz: Es el aprovechamiento energético producido por el movimiento de las olas, las que son una consecuencia del rozamiento del viento sobre la superficie del mar, por lo que resulta muy irregular. Existen diversas tecnologías para aprovechar esta energía, la mayoría de los equipos utilizan la energía potencial de elementos flotadores para transformar su energía mecánica en energía eléctrica mediante compresión de fluidos hidráulicos que son enviados a una turbina acoplada a un generador eléctrico. Otros sistemas utilizan el aire que ingresa o sale de una cámara donde el volumen del aire aumenta o disminuye según la entrada o salida de la onda, este aire atraviesa una turbina que está acoplada a un generador eléctrico. También es posible aprovechar la diferencia de presión que existe entre la cresta y el valle de la onda, interponiendo una turbina de flujo axial. La mayoría de los proyectos de aprovechamiento de la energía undimotriz se están llevando a cabo en Gran Bretaña, Portugal y España; muchos de ellos se encuentran en estado experimental y solo unos pocos en la etapa comercial. Turbina de aire Aire El nivel del agua sube y comprime el aire Llegada de la ola Fig. 3.8 En esta instalación la fuerza de las olas empuja el agua dentro una cámara, cuyo nivel asciende y comprime el aire encima del nivel de agua, haciendo que fluya a través de una turbina de aire acoplada a un generador eléctrico. Energía de las corrientes marinas: Consiste en aprovechar la energía cinética contenida en las corrientes marinas, para lo cual se emplean unas turbinas similares a los aerogeneradores, pero diseñadas para trabajar bajo la superficie del mar. Energía maremotérmica: Se fundamenta en el aprovechamiento de la energía térmica del mar basado en la diferencia de temperaturas entre la superficie del mar y las aguas profundas. El aprovechamiento de este tipo de energía requiere que el gradiente térmico sea de al menos 20 ºC. Las plantas maremotérmicas transforman la energía térmica en energía eléctrica, utilizando el ciclo termodinámico denominado Ciclo de Rankine para producir energía eléctrica, cuyo foco caliente es el agua de la superficie del mar y el foco frío el agua de las profundidades. MINISTERIO DE ENERGÍA Y MINAS 51 De todas las centrales marinas descritas, la energía de las mareas y del oleaje son las que tienen más posibilidades de desarrollo e) Centrales geotérmicas Conforme se desciende hacia el interior de la corteza terrestre, la temperatura se eleva gradualmente 1 °C cada 37 m, incluso hay zonas del planeta donde las altas temperaturas se encuentran a nivel de la superficie, donde las instalaciones geotérmicas podrían ser más rentables aún. Básicamente, una central geotérmica consta de una perforación realizada en la corteza terrestre a varios kilómetros de profundidad para alcanzar una temperatura suficiente de utilización (por ejemplo a 5 km de profundidad la temperatura es de unos 150 ºC). En la perforación practicada se introducen dos tubos que mantienen sus extremos en circuito cerrado en contacto directo con la fuente de calor. Por un extremo del tubo se inyecta agua fría desde la superficie, la cual cuando llega a fondo se calienta y sube como un chorro de vapor a presión hacia la superficie a través del otro tubo, hasta llegar a una turbina de vapor que gira por efecto de la presión del vapor inyectado, haciendo girar también al eje de un generador de electricidad acoplado a la turbina. El agua enfriada es devuelta de nuevo por el primer tubo para repetir el ciclo. Caliente Red eléctrica Fría Generador Agua Vapor de alta presión Energía eléctrica Aire y vapor de agua Turbina de vapor Vapor de baja presión Condensador Torre de enfriamiento Separador de vapor Aire Calefacción Pozo de producción Pozo de inyección Reservorio geotérmico Fig. 3.9 Central geotérmica. El calor de la tierra sirve para producir vapor a presión que se inyecta a una turbina acoplada a un generador que produce electricidad, que luego se transmite a través de la red eléctrica. 52 MINISTERIO DE ENERGÍA Y MINAS 3.4.2 Centrales que usan energías no renovables a) Centrales térmicas En una central térmica con ciclo de vapor se convierte la energía química de un combustible en energía eléctrica. Según el combustible utilizado se las denomina centrales térmicas de carbón, de fuel o de gas. Todas las centrales térmicas con ciclo de vapor constan, en su forma más simple, de una caldera y de una turbina de vapor que mueve un generador eléctrico. La única diferencia entre ellas es el combustible; por tanto, la caldera deberá adaptarse al combustible utilizado. Todos los demás sistemas y componentes son básicamente los mismos. La caldera es un recipiente a presión que sirve para convertir el agua en vapor a elevada presión gracias al calor generado por la combustión del combustible. El vapor que sale de la caldera se conduce a una turbina de vapor donde se expande moviendo un rotor que a su vez mueve un generador eléctrico acoplado al rotor mediante un eje. El vapor de baja presión saliente de la turbina se condensa con agua de refrigeración y retorna a la caldera. Los gases de combustión se evacúan por una chimenea al aire y están compuestos principalmente por dióxido de carbono (CO2), nitrógeno (N2) y oxígeno (O2) residual del exceso de aire de combustión; y contaminantes como monóxido de carbono (CO), óxido de nitrógeno (NOX), dióxido de azufre (SO2) y material particulado. La eficiencia de las centrales con ciclo de vapor no suele sobrepasar el 33%, desaprovechándose la mayor parte de la energía en pérdidas de calor a lo largo de todo el sistema. Red eléctrica Gases de combustión Vapor de agua de alta presión Turbina Generador Transformador Condensador Vapor de baja presión Caldera Circuito de agua Agua Agua caliente Bomba Carbón Gas Agua fría Torre de enfriamiento Petróleo Fig. 3.10 Central térmica de vapor. El calor de la combustión del carbón, gas o petróleo quemado en una caldera sirve para producir vapor a presión que se inyecta a una turbina acoplada a un generador que produce electricidad, que luego se transmite a través de la red eléctrica. MINISTERIO DE ENERGÍA Y MINAS 53 Existen otras centrales térmicas más eficientes que usan turbinas de gas, en este caso el proceso básico consiste en la transformación de la energía química del combustible (diésel o gas natural) en energía mecánica de rotación en el eje del rotor y luego en energía eléctrica en el generador acoplado al eje. El proceso de transformación química se realiza mediante la combustión del combustible que se inyecta en el combustor de la turbina de gas, junto con aire de combustión, produciendo gases de alta temperatura y presión que se expanden en la turbina haciendo girar sus álabes acoplados al rotor, el que también está acoplado a un generador eléctrico mediante un eje, y es donde finalmente se produce la electricidad. Los gases de combustión exhaustos que salen de la turbina de gas pasan por un silenciador y finalmente son descargados a la atmósfera a través de una chimenea. Estos gases están compuestos principalmente por CO2, N2 y O2 residual del exceso de aire; y contaminantes como CO, NO, SO2 y material particulado. Tanque de combustible diésel Aire Turbina de gas Compresor Cámara de combustión Gases de combustión Transformador Generador Red eléctrica Gas natural Fig. 3.11 Central térmica con turbina de gas. Emplea una turbina donde se inyecta gas natural o un combustible líquido como el diésel, el cual se quema con aire produciendo gases a presión que mueven la turbina y el generador acoplado a ella, produciendo electricidad que luego se transmite a través de la red eléctrica. En el Perú, la potencia efectiva de todas las centrales eléctricas suman 6444,4 MW, de las cuales el 51,7% corresponden a centrales térmicas, mientras que el 48,3% corresponden a centrales hidroeléctricas. b) Centrales nucleares La fisión nuclear es una reacción por la cual algunos elementos químicos muy pesados se rompen (fisionan) en dos fragmentos al recibir el impacto de un neutrón, emitiendo, a su vez, varios neutrones, los cuales pueden alcanzar otros núcleos y producir nuevas fisiones. Este fenómeno se conoce con el nombre de reacción en cadena y tiene lugar en los reactores nucleares. 54 MINISTERIO DE ENERGÍA Y MINAS Las centrales nucleares de fisión del tipo agua a presión, son las que más se utilizan en la actualidad para la generación de energía eléctrica. Constan principalmente de cuatro partes: • Un reactor nuclear, donde se produce la reacción nuclear de fisión. • Un generador de vapor de agua. • Una turbina donde se inyecta vapor a presión, que mueve un generador eléctrico para producir electricidad. • Un condensador, un intercambiador de calor que enfría el vapor transformándolo nuevamente en líquido. En el reactor nuclear se produce la fisión de los átomos del combustible nuclear (uranio o plutonio), liberando una gran cantidad de calor que es transferido a un circuito primario de agua a elevada presión y temperatura. Esta agua caliente luego se conduce a un generador de vapor donde transfiere su calor a una corriente de agua de un circuito secundario, el cual se transforma en vapor a alta presión que posteriormente se expande en una turbina haciendo girar un eje conectado a un generador, produciendo electricidad que se inyecta a la red eléctrica. Después de la expansión en la turbina, el vapor es condensado en un condensador, donde el vapor de baja presión cede calor al agua fría refrigerante de una torre de enfriamiento. Una vez condensado, vuelve al generador de vapor para empezar el proceso de nuevo; asimismo, el agua del circuito primario del reactor recircula en circuito cerrado entre el reactor y generador de vapor. Red eléctrica Aire húmedo Edificio de contención Barras de control Reactor Acumulador de presión Transformador Vapor Turbina Generador de vapor Torre de enfriamiento Generador eléctrico Condensador Combustible nuclear Circuito de refrigeración Aire ambiente Líquido saturado Bomba de agua Fig. 3.12 Central nuclear. La energía calorífica de las reacciones nucleares se aprovecha para producir vapor a presión que se inyecta a una turbina acoplada a un generador que produce electricidad, que luego se transmite a través de la red eléctrica. MINISTERIO DE ENERGÍA Y MINAS 55 3.5 Tecnologías de producción de energía en el futuro En la actualidad se viene investigando una serie de tecnologías para producir energía en el futuro, algunas de las cuales ya se han empezado a aplicar y se espera que se irán difundiendo en todo el mundo como una opción energética, entre las cuales destacan las siguientes: Tecnología de la pila de combustible La pila de combustible es una de las fuentes más prometedora de energía para el futuro. Se trata de dispositivos electroquímicos que convierten la energía que se libera en la reacción química de un combustible (puede ser hidrógeno o gas natural) directamente en electricidad y calor. Una pila típica de hidrógeno consiste en un electrolito empaquetado entre dos electrodos. El hidrógeno se oxida en el ánodo liberando electrones que fluyen por un circuito exterior (que aprovecha la electricidad) hacia el cátodo. El circuito se completa con el flujo de iones de hidrógeno a través del electrolito hacia una corriente de aire donde el oxígeno reacciona con los iones de hidrógeno para formar vapor de agua junto con el nitrógeno del aire no reaccionado. Esta fuente de energía ya se emplea en autobuses en ciudades como Barcelona, Madrid y Ámsterdam. Electricidad M e- 0,7 V _ Hidrógeno + Aire (oxígeno + nitrógeno) H+ Ánodo Cátodo Nitrógeno + Agua Electrolito H2 2H+ + 2e- O2 + 4H+ + 4e- 2H2O Fig. 3.13 La pila de combustible es un dispositivo electroquímico que convierte la energía de una reacción química directamente en electricidad y calor. 56 MINISTERIO DE ENERGÍA Y MINAS Fusión nuclear La más importante energía del futuro será probablemente la fusión nuclear. Se trata de una reacción nuclear en la que dos núcleos de átomos ligeros (por lo general el hidrógeno y sus isótopos deuterio y tritio), se fusionan para formar otro núcleo más pesado, liberando una gran cantidad de energía. Un ejemplo de ello es la energía solar que se origina en la fusión de núcleos de hidrógeno, generándose helio y liberándose una gran cantidad de energía que llega a la Tierra en forma de radiación electromagnética. La fusión nuclear se empezó a estudiar hace décadas y actualmente sigue en investigación, pues hoy en día aún no es un proceso viable económicamente. Se estima que en el año 2050, estarían entrando en operación las primeras plantas a fusión nuclear. Deuterio Neutrón Energía Fusión Helio Tritio Fig. 3.14 La reacción de fusión del deuterio y tritio produce helio y energía. Mediante la fusión nuclear se genera una gran cantidad de energía con un combustible casi inagotable: el hidrógeno, que puede obtenerse del agua de mar, por ejemplo. Además, tiene otras ventajas: • No produce gases nocivos y genera residuos nucleares de muy baja actividad. • Es más segura ya que la reacción nuclear se detiene al cortar el suministro de combustible. Procesamiento de la biomasa Actualmente, la biomasa se aprovecha poco como fuente de energía en la mayoría de los países del mundo. Es un recurso ampliamente distribuido que incluye la biomasa forestal, los residuos de la industria maderera, los cultivos energéticos, los residuos agrícolas, los efluentes de la industria agroalimentaria, los estiércoles de animales, la fracción orgánica de los residuos sólidos domésticos y los lodos de aguas residuales. La energía procedente de la biomasa es muy versátil ya que puede servir para producir electricidad, calor o combustibles para vehículos de transporte, asimismo, a diferencia de la electricidad, puede almacenarse de forma sencilla y económica. En la actualidad, la energía de la biomasa se aprovecha usando tecnologías como los biodigestores, combustores, gasificadores; pero muchas empresas siguen investigando y desarrollando nuevas formas y más eficientes de aprovechar la energía de la biomasa por su enorme potencial como recurso energético del futuro. MINISTERIO DE ENERGÍA Y MINAS 57 3.6 Ventajas y desventajas de las centrales eléctricas Los diferentes tipos de centrales eléctricas presentan ventajas y desventajas que son importantes tener en cuenta cuando se proyecta, construye y opera una determinada central, pues sus costos de inversión y de generación, eficiencia en el aprovechamiento de la energía y el impacto ambiental que pueden ocasionar, dependerán de la tecnología elegida. Tecnología Ventajas Desventajas Centrales que utilizan fuentes de energía renovables •No requieren combustibles para su funcionamiento, por lo que no contribuye al cambio climático. • Los costos de inversión son muy altos frcuentemente. •Los costos de operación y mantenimiento son bajos, por lo que el costo de generación eléctrica es menor en comparación con otras centrales. • La disponibilidad de energía puede fluctuar de estación en estación y de año en año, por las variaciones del caudal de agua. • La construcción lleva largo tiempo (hasta ocho años) en comparación •No contaminan ni el aire ni el con la de las centrales térmicas (dos agua. años). Centrales hidroeléctricas Centrales eólicas 58 • No requieren combustibles para su funcionamiento, por lo que no contribuye al cambio climático. • El costo de inversión es elevado. • No producen emisiones atmosféricas ni residuos contaminantes. • Lo inseguro del viento ocasiona que la producción de electricidad no sea constante. • Pueden instalarse en espacios no aptos para otros fines, como zonas desérticas, próximas a la costa, en laderas muy áridas y empinadas. • En algunos casos producen bajas de tensión que alteran el funcionamiento de la red eléctrica. • En algunos lugares las centrales eólicas pueden entrar en conflicto con aves migratorias y murciélagos. • Producen impacto visual y paisajístico por la presencia de • Su construcción dura máximo enormes aerogeneradores. dos años. • Los costos de operación y mantenimiento son moderados (más altos que las hidráulicas). MINISTERIO DE ENERGÍA Y MINAS Tecnología Ventajas Desventajas •No producen contaminación alguna. • Solo aprovechan los rayos solares que inciden directamente sobre su superficie. • No son capaces de captar la radiación solar difusa, por lo que solo resultan eficaces en zonas muy soleadas. • No funcionan de noche. Centrales solares • Los costos de operación y mantenimiento son altos. Centrales marinas • No contaminan. • Ocasionan impacto visual. • Son silenciosas. • El traslado de la energía es muy costoso. • Disponibles en cualquier época del año. • Efecto negativo sobre la flora y la fauna marina. • Localización puntual. • No dependen de factores climáticos. Centrales geotérmicas • Contaminación térmica. • Deterioro del paisaje. • Los residuos que producen • No están disponibles más que en son mínimos y ocasionan determinados lugares. menor impacto ambiental que los originados por el petróleo, • Los costos de operación y mantenimiento son moderados o carbón. • Flujo constante de energía. Centrales que utilizan fuentes de energía no renovables • Los costos de inversión son los más bajos. • La tecnología está bastante probada y existen muchos proveedores. • Son muy eficientes. Centrales térmicas • El uso de combustibles fósiles genera emisiones de gases contaminantes (SO2, CO, NOx), así como gases de efecto invernadero y de lluvia ácida a la atmósfera. • Al ser los combustibles fósiles una fuente de energía finita, su uso está limitado a la duración de las reservas y/o su rentabilidad económica. • Afectan negativamente a los ecosistemas acuáticos debido a los vertidos de agua caliente (centrales con turbinas de vapor). • Los costos de operación y mantenimiento son moderados. MINISTERIO DE ENERGÍA Y MINAS 59 Tecnología Ventajas Desventajas • No usan combustibles fósiles para su operación ni emiten gases de combustión. • El costo de inversión es elevado y la construcción puede durar hasta diez años. • Los costos de operación y mantenimiento son bajos. • Los residuos nucleares que produce se deben almacenar en depósitos aislados y controlados durante largo tiempo. Centrales nucleares • Emisiones contaminantes en la construcción de la central y en la fabricación del combustible nuclear. 3.7 La cadena de los combustibles En la actualidad, los combustibles derivados del petróleo y el gas natural son los más usados en el Perú, pero para que lleguen hasta los puntos de consumo final pasan por una cadena que empieza en los yacimientos de extracción luego de la cual se procesan y distribuyen a los usuarios. a) Petróleo y derivados El petróleo o crudo que proviene del subsuelo en los yacimientos petrolíferos es la materia prima para la obtención de los diferentes combustibles que usamos en el país. El petróleo se produce en parte (35%) en la costa norte y selva del Perú y otra parte (65%) se importa al precio del mercado internacional, que es muy fluctuante. El petróleo es procesado en unas seis refinerías en distintos lugares del Perú (las más importantes son La Pampilla, Talara y Conchán) que procesan en conjunto unos Vista de una refinería 191 330 barriles por día (BPD) donde el crudo se separa por destilación fraccionada en diferentes productos denominados derivados del petróleo. En las refinerías el proceso de fraccionamiento consiste en calentar el petróleo o crudo en un horno en forma continua, a temperaturas entre 370 ºC – 400 ºC, luego de lo cual ingresa a una torre de destilación primaria con platos, donde los componentes de la mezcla líquida del crudo se separan por diferencia en el punto de ebullición. Las fracciones más livianas (GLP, gasolina) se separan en los platos superiores más fríos; mientras que en los platos inferiores más calientes se separan las fracciones más pesadas (diésel, turbo, kerosene) y en la base queda un residuo no vaporizado (petróleo residual). Este residuo se somete a una nueva destilación al vacío para recuperar más combustible. 60 MINISTERIO DE ENERGÍA Y MINAS De la fracción destilada se obtienen lubricantes para motores de aviones y automóviles y también sirve como insumo para producir más gasolina y diésel. El residuo final contiene asfalto que se usa en carreteras. Finalmente, estos combustibles son transportados en camiones-tanque hasta las plantas de venta desde donde se comercializan hacia las estaciones de servicio, fábricas, comercios, viviendas. Gas combustible GLP Separador Gasolina Merox Turbo Kerosene Diésel Craqueo Petróleo Gasóleo Crudo reducido Horno Vapor Torre de destilación primaria Residual Vapor Torre de destilación al vacío Planta de asfalto Asfalto Casi el total de petróleo que se procesa en las refinerias se destina para combustible, es decir, se quema. b) Gas natural El gas natural es una mezcla de hidrocarburos livianos, donde el principal componente (cerca del 80%) es el metano (CH4), y el resto lo constituyen el etano, propano, butano y otros hidrocarburos más pesados: pentanos, hexanos y heptanos. Vista de una estación de suministro de gas MINISTERIO DE ENERGÍA Y MINAS 61 El gas natural de Camisea, desde que se extrae del subsuelo hasta llegar a Lima, sigue un circuito que consta de tres componentes principales que se explican a continuación: 1) Explotación: El gas natural que se extrae del yacimiento San Martín se somete a un proceso de separación en la planta Malvinas, ubicada en Camisea (Cusco), producto de lo cual se obtiene: • Gas natural seco (metano y etano). • Líquidos de gas natural (propano, butano, pentano y más pesados). • Otros componentes: agua, azufre y otras impurezas que no tiene valor comercial. El gas natural que excede a la demanda es reinyectado a los pozos. 2) Transporte: Se transportan los líquidos de gas natural a través de un poliducto de 560 km de longitud desde Malvinas hasta una planta de fraccionamiento en Pisco. El gas natural seco es transportado a través de un gasoducto paralelo de 730 km hasta el City Gate de Lima ubicado en Lurín. El City Gate viene a ser el lugar donde se realiza la reducción de presión, medición y odorización del gas natural, antes de su distribución a los centros de consumo en Lima. 3) Distribución: El gas seco es distribuido a los usuarios a través de una red de ductos, que suman aproximadamente unos 580 km de longitud, los que salen del City Gate y terminan en la puerta del usuario (centrales térmicas, fábricas, comercios, estaciones de gas natural vehicular-GNV y domicilios). La distribución se realiza a presiones por debajo de 50 bar en tuberías de acero y a presiones por debajo de 6 bar en tuberías de polietileno. En los usuarios la presión del gas se reduce para poder usarlo en los equipos consumidores. Los líquidos del gas natural que se envían a la planta de fraccionamiento de Pisco, se procesan para producir gas licuado de petróleo (GLP), gasolina y diésel que se destinan al mercado interno y externo. Yacimientos Lote 88 Extracción de gas natural y condensados EXTRACCIÓN Planta de separación de Malvinas (Cusco) Reinyección a pozos Transporte de gas natural a City Gate Lurín (Lima) Transporte de líquidos de gas a Pisco (Ica) Distribución de gas natural Planta de fraccionamiento de Pisco Red principal Redes secundarias Grandes clientes industriales, generadores eléctricos, GNV Otros industriales, comerciales, residenciales y GNV TRANSPORTE GLP y otros derivados para mercado interno y exportación DISTRIBUCIÓN 62 MINISTERIO DE ENERGÍA Y MINAS c) GLP El gas licuado de petróleo (GLP) es un gas que se compone principalmente de propano y butano, es más denso que el gas natural e igualmente combustible. Se produce en parte en las refinerías de petróleo por destilación del crudo en columnas de fraccionamiento. El GLP es transportado en camiones-tanque desde las refinerías o plantas de venta hacia los grandes consumidores a granel o hacia las plantas de envasado donde el gas se almacena en cilindros de 10 y 45 kg para su venta a los usuarios domésticos. El GLP también se produce mediante el procesamiento de los condensados del gas natural que se envían por ducto desde la planta Malvinas hasta la planta de Fraccionamiento de Pisco. 3.8 Problemas de sostenibilidad del modelo energético actual En el mundo, el sistema energético actual está fuertemente basado en los combustibles fósiles no renovables, como el petróleo, carbón y gas natural. El ritmo de consumo de aquellas fuentes de energía es tal que en un año la humanidad consume lo que la naturaleza ha tardado un millón de años en producir, por lo que se sabe con certeza que el agotamiento de las reservas existentes de combustibles será una realidad no muy lejana. Se estima que si la humanidad sigue con su actual forma de consumo de energía para satisfacer sus necesidades, las reservas económicamente explotables de combustibles se agotarán en unos 40 años para el petróleo, en unos 60 años para el gas natural y unos 200 años en el caso del carbón. Si bien las reservas de carbón son menos limitadas, este combustible es altamente contaminante, de forma que su utilización estará condicionada al desarrollo de tecnologías más limpias para la quema del carbón. En ese sentido el mantenimiento del sistema energético tal como funciona actualmente durante una o dos generaciones resultará insostenible porque: • Está agotando las reservas de combustible. • Contribuye al efecto invernadero y al cambio climático. • Contribuye a la contaminación local y a la lluvia ácida. • Contribuye a la deforestación. • Origina riesgos para la paz mundial debido a la demanda de recursos energéticos que poseen pocos países. MINISTERIO DE ENERGÍA Y MINAS 63 En dicho contexto surge el concepto de desarrollo sostenible que se define como “aquel desarrollo que satisface las necesidades de las generaciones presentes sin comprometer las posibilidades de las generaciones del futuro para tender sus propias necesidades”. Actualmente, las únicas formas que tenemos de evitar el agotamiento de los recursos energéticos no renovables y de conservar mejor el planeta son: • Usar la energía con eficiencia y en forma racional para evitar su derroche. • Diversificar las fuentes de energía, fomentando el uso de las energías renovables. • Aumentar la eficiencia en la generación, transporte y distrubición de energía eléctrica y seguir desarrollando nuevas tecnologías de conversión energética más eficientes. • Reducir el impacto ambiental en centrales térmicas de combustibles fósiles empleando técnicas eficaces para reducir la contaminación por los gases producidos durante la combustión. 64 MINISTERIO DE ENERGÍA Y MINAS
