primera parte : uso sustentable de energias convencionales

Seminario Comodoro Rivadavia
Lic. Eduardo Barreiro – Consultor
ENERGIAS ALTERNATIVAS Y MEDIO
AMBIENTE
PRESENTACIÓN COMODORO
RIVADAVIA
LIC EDUARDO BARREIRO
PRIMERA PARTE : USO SUSTENTABLE
DE ENERGIAS CONVENCIONALES
Bueno, ayer Carlos Pierro nos instruía sobre cómo es la reserva y la utilización
de las energías fósiles en el mundo, carbón, gas y petróleo; Eduardo Schmidt
nos mostró una alternativa, una energía alternativa renovable muy importante
aquí en Comodoro, con 26 máquinas instaladas en energía eólica y acabamos
de ver en la presentación de Girardin, cuán grave, cuán complejo es el tema
del efecto invernadero. Entonces, mi misión es tratar de plantear como se usan,
como se van a usar las energías fósiles en forma sustentable, que como Carlos
Pierro dijo tenemos para muchísimos años, pero va haber que cambiar la forma
de uso y cuales son las energías alternativas entre ellas, las renovables.
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Nuestro
hogar. Tiene
aire, agua, y
un clima
hospitalario
Nuestro mundo, tiene aire, agua y clima hospitalario por ahora.
Población al 1/1/2002:
El desafío: Manejar un planeta siempre cambiante
¿Cuántos somos? Por ahora somos más de 6.100.000.000 de personas en
este momento en el mundo y el crecimiento es del orden de entre el 1% y 1,5%
anual acumulativo.
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Orígenes de la emisión de CO2 a la atmósfera
http://www.ieagreen.org.uk/capture.htm
Acá están los orígenes de la emisión del dióxido de carbono a la atmósfera.
Fíjense que la energía eléctrica, la generación de energía eléctrica es el 35%,
la industria y las casas es el 39% y la movilidad es del 21%. La electricidad es
muy importante y el uso industrial también.
¿Cómo se usarán las energías convencionales para disminuir el CO2?
Uso eficiente de la energí
energía.Aumento de rendimientos.
rendimientos
Cambio a combustibles de menor contenido de C; por
ejemplo, de carbón a gas natural. Se ahorran 420 kg de
CO2 por Mw producido, comparando una planta
convencional con un Ciclo Combinado a gas.
Conversión de los HC en hidrógeno, separando el CO2
(steam reforming).
Secuestrar el CO2 producido en la combustión.
VER:http://www.netl.doe.gov/coalpower/sequestration/main.html
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¿Cómo se van a usar las energías convencionales para disminuir el dióxido de
carbono? Primero, obviamente uso eficiente de la energía, aumento de los
rendimientos. Si yo paso de carbón a gas natural estoy ahorrando 420 kg. de
CO2 por Mw. producido. Conversión de hidrocarburos en hidrógeno, separando
el CO2 por steam reforming y secuestrar el CO2 producido en la combustión.
En todas las transparencias tienen la cita bibliografía correspondiente.
Aumento
de
eficiencia
En el largo plazo, el carbón sólo puede mantener su porción en el
consumo de energía mundial si es empleado controlando el CO2
producido. Se están desarrollando tecnologías basadas en la
gasificación del carbón con uso posterior del hidrógeno como carrier y
secuestro del CO2.Zero Emission Coal Alliance (ZECA) ( DS1-1)
Acá tienen un ejemplo de aumento de eficiencia en carbón, que ayer menciono
Carlos Pierro. Fíjense cuantos kilos de carbón se utilizaban por Kw. generado
en el ’55, hoy y en la tecnología futura, y encima de esto se va a secuestrar
este dióxido de carbono.
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Ejemplo de secuestro de CO2 en una central de Ciclo Combinado
Absoción con
aminas
TECHNOLOGICAL RESPONSES TO CLIMATE CHANGE IN THE ENERGY
SECTOR PAUL FREUND (DS1-20) (IEA)
Acá tienen un esquema de central de ciclo combinado con secuestro de
carbono, es igual que una central de ciclo combinado convencional, nada mas
que después tiene una planta de absorción con aminas, tecnología
absolutamente desarrollada, tecnología de uso petrolero que lo pueden ver
acá, hay varias plantas de captura de dióxido de carbono en el país y ese CO2
va a tener que ser dispuesto de alguna forma.
La captura y el almacenaje del bióxido de carbono
(CO2) provenientes del uso de combustibles fósiles
serían los medios de disminuir emisiones del CO2 y
permitir el uso de combustibles fósiles,
especialmente carbón.
Considerable esfuerzo privado y público será
necesario para desarrollar la tecnología a nivel
comercial. Esto se debe sustentar en acuerdos
políticos abarcativos para asegurar la colaboración
eficaz de esfuerzos nacionales e internacionales y,
en última instancia, incentivos apropiados para el
desarrollo de la implementación industrial.
Findings of Recent IEA Work 2003
http://www iea org/impagr/zets/http://www ieagreen o
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La captura y almacenaje de bióxido de carbono, va a ser un medio para
disminuir emisiones de dióxido de carbono y permitir la utilización de
combustibles fósiles, especialmente el carbón. Pero hay que hacer una serie de
investigaciones para bajar los costos y desarrollar tecnología a nivel comercial.
Este tipo de acuerdos deben ser políticos entre países y abarcativos para que
haya esfuerzos nacionales e internacionales, incentivos apropiados para el
desarrollo de la implementación industrial. Esto es lo que dice la Agencia
Internacional de Energía (AIE) este año.
Ejemplo piloto de secuestro en una
central de producción de energia
eléctrica en Inglaterra. Sólo se
secuestra el 10 –15 % del CO2
presente.
Se estima el costo adicional de
captura (con aminas) en 2000
dólares por KW, con una
reducción del 12,5 % de la
energia generada . Sin contar el
transporte.
Ver :
http://www.ieagreen.org.uk/doc4b.htm
Acá tienen un ejemplo, que he tomado la foto, de una planta de generación de
energía en Inglaterra. Este es el sistema de captura de dióxido de carbono,
está capturando nada más del 10% al 15% de la energía producida. Esta es
una planta de generación eléctrica de 300 Mw., pero acá tienen un dato, el
costo de captura de dióxido de carbono en esta experiencia piloto industrial que
se está haciendo, es del orden de los u$s 2.000 por Kw. Fíjense que una planta
de ciclo combinado está entre u$s 450 y u$s 500 de costo de instalación, es de
u$s 2000 por Kw. y encima hay una reducción del 12,5% de la energía
generada porque cambia la presión, sin contar con el transporte esto es
carísimo. No es barato, el hecho de captura dióxido de carbono.
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http://script3.ftech.net/~ie
agreen/co2sequestration.
htm
Alternativas de
eliminación de CO2
¿Qué vamos hacer con el dióxido de carbono capturado? Acá hay varias
alternativas propuestas. Una es inyectarlo en yacimientos de carbón
reemplazando metano absorbido sobre el carbón y recuperando metano, hay
dos experiencias en Estados Unidos que lo están haciendo, y es rentable
porque estoy recuperando metano, claro que en Estados Unidos el metano vale
en este momento u$s 4,5 a u$s 5 el MMBtu en boca de pozo, acá vale el 10%
de eso como lo vimos ayer.
La segunda alternativa es inyectarlo en acuíferos salinos muy profundos,
también se esta haciendo en dos locaciones en el mundo, una en el mar del
Norte y la otra en Canadá.
Como se puede eliminar el CO2 separado del proceso
de obtención de energía?
Inyección para recuperación secundaria en
yacimientos agotados (EOR). Inyección en
yacimientos agotados de gas. Ya hay realizaciones
comerciales.
Adsorción sobre capas no comerciales de carbón
mineral reemplazando metano adsorbido (en
relación 2:1) Se está haciendo, y se produce gas
(coalbed methane).
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La otra es inyectarlo en reservorios agotados de gas o petróleo, en el caso del
petróleo tiene tasa interna de retorno positiva porque obtengo más petróleo y la
otra es inyectarlo en el océano.
Como se puede eliminar el CO2 separado del proceso
de obtención de energía?
Inyección en el mar a grandes
profundidades (1500/3000 metros y
más). No están estudiadas las
consecuencias sobre el bioma.
Inyección en acuíferos salinos
profundos terrestres.
Inyección en yacimientos de
hidratos de metano, (reemplazando
metano)
GEOLOGICAL STORAGE OF CO2: WHAT’S KNOWN, WHERE
ARE THE GAPSAND WHAT MORE NEEDS TO BE DONEJohn
GaleIEA Greenhouse Gas R&D Programme, Cheltenham, Glos.
GL52 7RZ, UK {http://www.ieagreen.org.uk/doc4b.htm}
Acá tienen los sistemas de inyección en el océano, se pueden inyectar a 1.500
m. donde el dióxido de carbono se solubiliza o se puede inyectar a 3.000 m. en
donde el dióxido de carbono está por encima del punto crítico y entonces
queda líquido.
Hay espacio suficiente para el almacenaje? El uso de
combustibles fósiles produce 24 GTon/año de CO2( 24.000
millones de toneladas)
TECHNOLOGICAL RESPONSES TO CLIMATE CHANGE IN THE ENERGY
SECTOR PAUL FREUND (DS1-20) (IEA)
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¿Cuánto cabe? ¿Cuánto se está produciendo de dióxido de carbono en la tierra
por efecto antropogénico? Estamos produciendo 24.000 millones de toneladas
o sea 24 GTon/año de dióxido de carbono y ¿cuánto hay de posibilidad de
inyección? Por ejemplo, en los yacimientos de petróleo agotados caben del
orden de 125 GTon, cinco veces lo que produce la humanidad por año. En el
gas, 700 Gton, en los reservorios de acuíferos salinos no se sabe muy bien,
pero entre 400 – 10.000 Gton, en el carbón para recuperar metano en el orden
de 30 Gton y en océano, ni siquiera se sabe cuanto pero del orden de 4800
Gton, o sea lugar hay.
Y cuanto será el costo asociado? (yacimientos de petróleo)
TECHNOLOGICAL
RESPONSES TO
CLIMATE CHANGE
IN THE ENERGY
SECTOR PAUL
FREUND (DS1-20)
(IEA)
El costo. El costo es negativo en el caso de la recuperación de petróleo hasta
pasar las 100 Gton.
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Y cuanto será el costo asociado?(Yacimientos de gas)
TECHNOLOGICAL RESPONSES TO CLIMATE
CHANGE IN THE ENERGY SECTOR PAUL FREUND
(DS1-20) (IEA)
Y es bastante barato, en el caso de los yacimientos agotados de gas. Ahora
acá si hay costo, porque no voy a recuperar más gas por el hecho de inyectar
dióxido de carbono.
Segunda parte: Energias
Alternativas
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Nebojša Nakićenović International Institute for Applied Systems Analysis
(IIASA) and Vienna University of Technology Energy Drivers in Future
Scenarios, Univ de Pilar, Buenos Aires, Argentina – July 2003
Acá tienen un gráfico que presentó Nakicenovic, en el Seminario que hicimos
en la Universidad Austral, en Pilar. Es como se fueron usando las distintas
energías a lo largo del tiempo. En el siglo XIX, la principal energía era el
carbón, esa fue reemplazado por el petróleo en el siglo XX y en el siglo XX ya
empezó el reemplazo del petróleo por gas y después van a venir otras energías
como la energía de los renovables fundamentalmente y la nuclear de fisión y
fusión que ahora voy a explicar.
Las previsiones para el desarrollo de energías no contaminantes
dependerán de decisiones mundiales sobre el medio
ambiente....Energía primaria para generación eléctrica.
Escenario de
diversificación/renovables (G8)
Escenario “todo queda como hoy”
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¿Ahora cuándo y cuánto se va a reemplazar? Esta es una extrapolación que
está hecha hasta el 2030 por la AIE, en el mejor de todos los escenarios
solamente el 15% para el año 2030 van a ser de renovables. ¿Por qué? Por el
gigantesco costo, que significa el cambio energético de la humanidad y eso es
en un escenario donde se firme el Protocolo de Kyoto y donde se cumpla. Si el
escenario todo queda como hoy, solamente el 5%, lo que pasa es que este
escenario, yo creo que es impracticable desde el punto de vista medio
ambiental como se acaba de demostrar.
Las energias renovables son una fracció
fracción
pequeñ
pequeña de la energia total
RENEWABLES IN GLOBAL ENERGY SUPPLY An IEA Fact
Sheet November 2002
¿Cuánto es hoy el uso de combustibles renovables? Es muy poco, muy poco.
Esta es de noviembre de 2002, fíjense que estábamos con 23,5% de carbón,
35% de petróleo, 21% de gas, la energía nuclear era casi del 7% y los
renovables de donde la leña, es la gran parte, hidro es 2,3% nada más y todo
lo demás renovable junto, eólica, solar, geotérmica, mareomotriz, etc., es nada
más que el 0,5%, es muy poco el uso de energía renovable, por ahora, por el
costo.
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Energías en la generación de electricidad
Este es el mismo gráfico, pero específicamente para generación de energía
eléctrica. Es más importante la proporción de renovables porque esta
considerada la energía hidroeléctrica, y la nuclear del 17%.
Energías no convencionales :
Eólica y otras
Costo de renovables
(G8)
Parque eólico de Comodoro
Rivadavia
Acá tienen como evolucionaron los costos de los renovables, y como se
presume van a evolucionar. Esta es la energía eólica, acá esta la foto del
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Parque Eólico Comodoro Rivadavia y esta es la energía eólica, esta es la
fotovoltaica, esta es la biomasa y esta es la energía geotérmica. Todas van a
bajar para el año 2005. Por ejemplo, la energía eólica, los primeros molinos
que se instalaron costaban del orden de los u$s 1200 el Kw. instalado, los
últimos u$s 850 y en este momento esta en u$s 700.- y sigue bajando.
World Market Update 2002 (http://www.btm.dk/)
Este es un gráfico, que es el incremento de potencia en el mundo de energía
eólica. Evidentemente dentro de las energías renovables, es la que más
importancia tiene.
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World Market Update 2002 (http://www.btm.dk/)
¿Dónde se está instalando? Fundamentalmente en Europa, menos en Estados
Unidos y Asia y el resto del mundo es muy poco todavía.
E
N
E
R
G
Í
A
S
O
L
A
R
http://maths.newcastle.edu.au/phys2000/
Otra energía que es muy importante es la energía solar. Esto es lo que se
denomina un gráfico de insolación. O sea, la cantidad de energía por metro
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cuadrado que cae en determinado lugar del territorio, a determinada hora del
día y en determinado mes del año. Está hecha para El Cairo, pero en cualquier
latitud similar es más o menos la misma. La energía en esta zona es más que
1.000 w. por m2.
LA TORRE SOLAR
En la localidad de Mildura,
a 350 kilómetros al
noroeste de Melbourne.
1000 m de altura-200 MW
335 millones de dólares
1000 m de
altura
Enviromission Australia
Generará 24 horas diarias
Se supone que arranca en 2005
(Envs2040-4-9.ppt)
8,6 Km de díametro
http://www.eyeforenergy.com/print
.asp?news=31448
¿Cómo se aprovecha ésta energía? Este es un proyecto que se está
desarrollando en Australia, es muy interesante, porque es uso de energía solar
que de noche también produce. ¿Cómo trabaja esto? Esto es un sistema de
captación de energía solar muy grande, mide 8,6 km. de diámetro, con una
torre que mide 1.000 m. de altura en el medio. Al calentarse el agua que está
captando calor se produce una corriente convectiva, a lo largo de esta
chimenea, y en ésta chimenea hay palas como si fueran molinos, exactamente
el mismo tipo de palas, pero nada más que hay muchas palas de estas. Cada
uno de estos emprendimientos va a tener instalados 200 Mw. de potencia y el
costo calculado es de u$s 335 millones. De noche sigue circulando el agua
caliente, sigue estando la corriente convectiva y al estar la corriente convectiva
sigue generando energía aunque no haya sol, entonces esta es una forma muy
interesante de aprovechar la energía solar las 24 hs. del día. Las primeras
experiencias de esto se hicieron en España, pero viene a ser la concreción
industrial.
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Celdas solares fotovoltaicas (PV)
Las economías de escala y los adelantos en la tecnología han bajado los costos de
generación en un factor de 7 durante los últimos 17 años. Los mercados están
creciendo fuertemente a más de 20% anual La industria factura más de 1,000
millones de dólares desde 1997 cuando se fabricaron por primera vez más de
100MW en el año.
Los sistemas fotovoltaicos instalados proporcionan electricidad a un costo en el
rango U$ S 0.30 a 0.50 por Kwh.
Se estima que para 2008, el costo de generación habrá bajado a 1/6 del actual, y el
mercado que crece a más del 20 % anual, llegará a los 1600 MW/año, con una
inversión de 5000 millones de dólares
(17 WEC : MARCH OF SOLAR PHOTOVOLTAICS TOWARDS A MORE IMPORTANT
PLACE IN THE WORLD ENERGY BALANCE, ANTA, Javier and BALBUENA, Miguel Ángel.
BP SOLAR Madrid, Spain)
Las celdas solares fotovoltaicas son también importantes y están creciendo a
gran velocidad. En 1997, ya se fabricaron más de 100 Mw. y facturaron mas de
u$s 1000 millones en 1997, y se calcula que para el año 2008 el costo de
generación va haber bajado a la sexta parte de la actual y el mercado va a
llegar a 1600 Mw. por año con una inversión de más de u$s 5000 millones.
¿Por qué son importantes las celdas solares fotovoltaicas? Porque hay zonas,
inclusive en nuestro país, que no tienen acceso a otra forma de energía, por
ejemplo la Puna. En la Puna no hay viento, no hay electricidad no hay nada.
Las celdas solares fotovoltaicas pueden proveer y están proveyendo energía a
las casas de la Puna.
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Celdas Fotovoltaicas
Las investigaciones hoy se hacen sobre
celdas multijuntura están enfocadas al uso del
arseniuro de galio en uno (o en todos) de los
componentes de las celdas. Han alcanzado
eficiencias de alrededor del 35% bajo luz
solar concentrada.
http://ciencia.nasa.gov/headlines/y2002/solarc
ells_spanishA.htm
Acá tienen como se está concibiendo ahora la celda fotovoltaica. Esta es una
celda fotovoltaica de arseniuro de galio, que es semitransparente, entonces
cada una de las celdas capta una determinada fracción de espectro. Al captar
una determinada fracción del espectro, la energía total colectada es del orden
del 35% bajo luz concentrada contra el 14% - 15% que capturan las celdas
convencionales.
¿¿¿Y el hidrógeno??
El hidrógeno es un “carrier energético”. No es una energia
primaria. No hay “yacimientos” de hidrógeno, ni “minas”
de hidrógeno.
Hace falta mucha tecnología para volverlo util. El costo
actual es de 30 dólares por MMBTU de fuentes
fósiles, y de 72 dólares por MMBTU de fuentes
renovables.
Debe ser obtenido en base a otras energias primarias. Se
obtendrá por steam reforming o por electrólisis de agua.
Ademas de su uso como si fuera un combustible
convencional, se usará en las celdas de combustible.
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¿Qué pasa con el hidrógeno? El hidrógeno es un carrier energético, no es una
energía primaria. Cuando uno habla del hidrógeno, se tiene que situar en lo
que realmente es. ¿Cuánto es el costo del hidrógeno hoy?. El costo del
hidrógeno es de u$s 30.- MMBtu. En fuente fósiles. Un steam reforming de una
refinería Argentina o de una refinería de cualquier lugar del mundo, el costo de
ese hidrógeno que se usa para hidrogenar gasoil, nafta, lo que sea y para
hidrosulfurar es de u$s 30.- MMBtu y si yo quiero hacer una combinación
energía eólica u otro tipo de energía renovable para obtener hidrógeno
estamos hablando que hoy, cuesta u$s 72.- MMBtu., es impensable como
sistema de generación de energía, hay que pensar y desarrollar muchísima
energía antes que el hidrógeno sea económicamente factible y además,
recordar que siempre va a ser usado en base a otra energía primaria.
¿Cómo se va a usar? La forma más eficiente no es quemarlo en un motor ciclo
Otto, porque el rendimiento termodinámico es bajo, la forma eficiente es usar
una celda de combustible.
Energía de las olas
http://www.oceanpd.com/Company/default.html
Acá les voy a mostrar un tema muy interesante, que es la energía de las olas,
los motores de ola. Este es un proyecto que ya se está llevando a cabo en
forma industrial, acaban de tirarlo al mar en Inglaterra, el primer sistema de
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estos. Estos sistemas miden 150 m. de largo y consiste en cuatro tanques con
tres juntas, que ahora voy a explicar que son, y este sistema genera 750 Kw.
cada uno.
Sistema impulsor y
generador a escala
completa. Cada
módulo es de 250
Kw de potencia y
se arman en grupos
de 3.
Dibujo de los internos. El aceite a
alta presión pasa por un tanque
pulmón para homogeneizar
presiones y luego por una turbina
que impulsa un generador eléctrico
Ahí tienen lo que es la junta. Esta junta por efecto de la torsión se mueve
empujando este pistón que genera energía hidráulica que se acumula en un
tanque, acá tienen el tanque, y ese tanque pasa por una turbina y esta
generando energía eléctrica. Cada uno de estas juntas genera energía
eléctrica.
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Acá tienen como son las juntas del modelo industrial en operación y acá
adentro esta el tanque pulmón y la turbina y el sistema generador.
Cada uno de los equipos
está anclado y conectado a
un cable colector común
Arreglo de
30 Mw de
potencia
ocupando 1
Km2 de mar
Acá tienen una concepción de cómo va a ser esto, en 1 km2. de mar, un
arreglo de estAs especies de gusanos va a dar una potencia del orden de 30
Mw. por km2. de mar, lo cual es mucha potencia. Mucha potencia porque 30
Mw. es casi el doble de lo que tiene instalado el Parque Eólico Comodoro
Rivadavia.
Acá se ve como funciona, el sistema en las olas, la torsión hace que la junta
genere presión hidráulica y produzca energía eléctrica. Esto esta hecho en una
pileta experimental.
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Va a generar 750 Kw. y lo que es interesante es la energía, no solamente la
potencia instalada sino la energía. La energía generada por esto, da un
rendimiento promedio del 50% sobre la potencia instalada. Es bastante más
que la energía eólica y por ejemplo alrededor de Inglaterra, ya hay un
relevamiento de todos los lugares para instarlo y se calcula que Inglaterra sola
podría generar del orden de 3000 Mw. con este sistema de aprovechamiento.
Energia de las mareas
Ver informe : http://www.parliament.the-stationeryoffice.co.uk/pa/cm200001/cmselect/cmsctech/291/29104.htm#a1
http://www.iclei.org/EFACTS/
TIDALEN2.GIF
24 turbinas,
http://www.bigelow.org/virtual/h
andson/water_level.html#dam
240 MW
instalados
La energía de las mareas, esta es una foto de la central de La Rance, en
Francia, terminada y en el momento de la construcción y estas son las enormes
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turbinas que tiene instaladas, aunque es unas central bastante vieja, es de la
década del ‘70 aproximadamente, ¿entonces que es lo que pasa? Sube la
marea y sube el agua por allá y esta turbina esta generando, cuando la marea
baja, vuelve el agua a pasar por el canal y otra vez la turbina genera. La central
de La Rance, esta funcionando hace más de veinte años con una confiabilidad
muy buena y un factor de servicio excelente, pero el problema es el costo. El
costo es muy muy caro, entonces hay alternativas.
Prototipo instalado
de 300 Kw
http://europa.eu.int/comm
/energy_transport/atlas/ht
mlu/tidaltech.html
Acá tienen la alternativa. Es un sistema de un molino al revés, que en lugar de
estar para arriba esta adentro del agua, donde hay una corriente convectiva
generada por una marea. Este ya está en prueba, el prototipo este en
Inglaterra. Es un prototipo de 300 Kw. de potencia instalada y acá se ve como
sería un sistema de estos, montado cerca de la costa, en lugares donde halla
grandes diferencias de mareas o donde halla corrientes, como la corriente del
Golfo. También puede recuperar energía de ahí.
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Celdas de
combustible
Natural Gas , a fuel of
choice.COP 5, 1999
Hablando de celdas de combustibles, ya ayer se habló bastante de celdas de
combustibles, el amigo Pasquevich, pero acá tienen los rendimientos
termodinámicos de las distintas celdas y esta es la de óxidos simples. Fíjense
que están por encima del rendimiento de una turbina de ciclo combinado y acá
tienen el montaje. Lo interesante de estas dos es que funcionan a gas, a gas
natural, no funcionan a hidrógeno.
FUEL CELL TECHNOLOGY – READY FOR TAKE- OFF?
THOMAS HEISSENBERGER AUSTRIA FERNGAS 18th
WEC
Estas son las condiciones de funcionamiento que están entre 800 y 1000 C de
temperatura con un rendimiento del 60%.
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e-
H2(g)
e-
O2(g)
H+
Ánodo
Cátodo
O2(g)
Cátodo
Ánodo
Electrolito
H2
Electrolito
2 H+ + 2 e-
2 H+ + 2 e- + ½ O2
H2(g)
O2-
½ O2 + 2e-
H2 O
CONDUCTOR IÓNICO POR H+
O2-
O2- + H2
H2O + 2 e-
CONDUCTOR IÓNICO POR O2-
La celda de combustible puede funcionar, con protones o con iones oxígeno.
Este es el sistema de funcionamiento de la celda de carbonato fundido y la
celda de dióxido sólido.
4O2- (electrolito) + CH4(g) -------------2 H2O(g) + CO2(g) + 8e- (ánodo)
HIDROCARBUROS
+ AIRE
ÁNODO
ELECTROLITO
CÁTODO
Esquema de las celdas de óxido sólido de una cámara. Las mismas
operan en mezclas de hidrocarburos y aire, con electrodos selectivos a
cada gas. Se ha conseguido densidades de corriente de 0,05 W/cm2,
operando a 900°C.
Generación de energía eléctrica a partir de gas natural empleando celdas de combustible de óxido
sólido de temperatura intermedia---Dr. Diego G. Lamas Dra. Noemí E. Walsöe de Reca et al. Centro
de Investigaciones en Sólidos (CINSO), CITEFA-CONICET
Acá tienen un esquema de una celda de oxido sólido que se está desarrollando
en CITEFA, en el Centro de Investigaciones Técnicas de las Fuerzas Armadas,
la directora es la Dra. Reca y lo que es interesante es que Repsol tienen dos
becarios trabajando en este tema. ¿Por qué? Porque es muy interesante, este
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tipo de celda tiene altísimo rendimiento, no necesita hidrógeno previo, no
necesita steam reforming previo y produce corriente eléctrica y los costos
probablemente sean mucho menores que los costos de una planta de steam
reforming para producir hidrógeno previo. Es muy interesante este trabajo.
Reacción de metano con oxígeno en la Solid Oxide Fuel Cell
Ahí esta como es la reacción del metano.
Sistemas de doble cámara e implementación piloto
A altas temperaturas de funcionamiento (hasta
1000°C), los iones oxígeno se forman en el
"electrodo del aire" (el cátodo). Cuando un gas
combustible pasa sobre el "electrodo del
combustible" (el ánodo), los iones del oxígeno
emigran a través del electrolito cristalino para
oxidar el combustible. Los electrones generados
en el ánodo se mueven a través de un circuito
externo, creando electricidad Se elimina la
necesidad de un reformer externo.Se muestra un
equipo piloto de 250 Kw.
http://www.fe.doe.gov/programs/powersystems/
fuelcells/
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Este es un sistema de 250 Kw. de potencia, ¿Cuál es el problema que tiene
este sistema? y ¿por qué hay que investigar todavía mucho sobre esto?
Porque de ultima, lo que tenemos acá son electrocatalizadores, y con metano
depositan carbón, coque, al depositar carbón coque se inactivan y hay que
estarlos cambiándolos a cada rato, lo que implica que hay que hacer más
trabajo de investigación básica.
El cátodo es una
Cu-fenol oxidasa,
el ánodo es una
glucosa-oxidasa
inmobilizada con
niqueloceno.
Tambien existe
bioceldas que
trabajan con etanol
o metanol. Se
alcanzan corrientes
de 0,05 mW/cm2
Development and Design of Enzymatic Biofuel Cells
Vijaykumar Rajendran*, Frisia Colon & Plamen Atanassov
Chemical & Nuclear Engineering University of New Mexico
Albuquerque, NM 87131-1341
Acá tienen otro tipo de celda, es una bio-celda, la traje porque es un sistema
que recién está empezando a ser investigado. En este caso en particular, esto
funciona con una solución de glucosa, azúcar en agua y tengo un sistema de
encimas inmovilizados, que una es una Cufenol oxidasa, el otro es una
glucosa-oxidasa inmovilizadas también, que dan una corriente del orden de
0,05 mW/cm2 (mili vatios), es un tema que ésta en absoluta investigación
todavía, pero es interesante.
27
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Energia Nuclear: Fision
GLOBAL NUCLEAR ENERGY IN A SUSTAINABLE DEVELOPMENT PERSPECTIVE
CHRISTIAN STOFFAËS; SHIGEYUKI KUNINOBU; HIROSHI MORIMOTO ELECTRICITÉ DE FRANCE, PARIS;
THE TOKYO ELECTRIC POWER COMPANY, TOKYO; THE KANSAI ELECTRIC POWER COMPANY, OSAKA (DS2-10)
Energía nuclear
Vamos a empezar hablar de la energía nuclear, tema controvertido si los hay.
Acá tienen en el mundo como está la energía nuclear en este momento. Hay
434 reactores de fisión instalados y están generando aproximadamente el 17%
del total de consumo de energía de la humanidad.
Energía nuclear
La energía nuclear no emite dióxido del carbono ni contaminantes a
la atmósfera. El dióxido del carbono de emisiones equivalentes para
el ciclo entero de generación nuclear, desde el uranio a la energía,
pasando por la construcción de los reactores, está en el rango de
10-30 gramos de CO2 por Kwh. (2-6 gramos de carbono) –el
mismo que el viento y la energía solar –dos ordenes de magnitud
debajo de los combustibles fósiles (450 gr. de CO2 para gas natural
(en CC 360 gr., N. del A.), 900 gr. para carbón). La energía nuclear es
un instrumento importante de reducciones potenciales en la emisión
de gases de efecto invernadero. Hay 37 plantas nucleares en
montaje en el mundo. No es nuestra alternativa para hoy:
Tenemos gas natural Pero también tendremos que concluir
Atucha II. Alrededor de 700 MW más, a 335 millones de dólares
o menos.
¿Cuál es la gran ventaja de la Energía Nuclear? No produce dióxido de
carbono, es la única fuente energética que dispone la humanidad sin dióxido de
carbono, se mide en TW. La producción de dióxido de carbono en la energía
nuclear es del orden de 2 a 6 gramos de carbono equivalente por Kw.
producido, que es lo mismo que el viento y la energía solar.
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La energía nuclear es muy interesante como sistema de reducción de emisión
de gases del efecto invernadero. Tenemos 37 plantas nucleares en montaje en
el mundo. El mundo no ha dejado de hacer plantas nucleares, sobre todo se
siguen haciendo en la India, China y Japón. También Rusia, la cual tiene cuatro
plantas en montaje. No es nuestra alternativa porque tenemos gas natural, pero
tenemos que concluir Atucha II, porque son del orden de 700 MW con una
inversión, según las últimas estimaciones del gobierno de u$s 335 millones.
Participación en la generación de energía eléctrica en los
primeros 15 países en %
Francia
Lituania
Bélgica
Bulgaria
Eslovaquia
Suecia
Ucrania
Rep.
Hungría
Armenia
Eslovenia
Suiza
Japón
Finlandia
Alemania
75
73
57
47
47
46
44
43
39
36
36
35
34
33
31
Acá tienen la participación de distintos países, Francia tiene 75% de
generación de energía eléctrica a partir de la energía nuclear y ahí esta la
curva que decae, pero por ejemplo, Japón tiene 35%.
29
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Este es el consumo de energía nuclear a lo largo del tiempo, en los últimos 25
años. Es una curva creciente y crece al 2,5%, o sea, no hay pausas nucleares,
sino que al contrario la energía nuclear se va a acelerar.
Fisión nuclear
•
92 U
•
2α
•
0n
238
→ + 2α4 + 90 Th 234
4
+ 92U238 → 94Pu241 + 0n1
1
+ 92 U 235 → 56Ba141 + 36Kr92 + 3 0 n 1 (FISIÓN)
235
1
90
0
38
U + n --->
92
Sr +
La fisión de 1 Kg
de U235 provee la
nisma cantidad de
energia que 600
toneladas de
petróleo
143
54
1
Xe + 3 n
0
Reacción en cadena
¿Cuál es el problema de la energía nuclear? La energía nuclear tiene el
problema que produce algún tipo de isótopos, el U238, el plutonio, el vario, etc.,
que son de larga vida.
30
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Posición de Suiza,al 18/05/2003
• Se produjo una consulta popular con dos preguntas:
• ¿Debe prohibirse la continuación de los permisos
de generación nuclear, hoy autorizados sólo hasta
2010?
• Respuesta de la ciudadanía: No, 66 %
• Se debe autorizar la construcción de nuevas
centrales nucleares?
• Respuesta de la ciudadanía: Si, 58 %
Esto no lo informarán las organizaciones
“ecologistas” que lo propusieron .
¿Qué es lo que piensan determinados pueblos de la energía nuclear? El 18
de mayo, esto no salió mucho a publicidad, se produjo una consulta popular
en Suiza con dos preguntas. ¿Debe prohibirse la continuación de los
permisos de generación nuclear, hoy autorizados sólo hasta 2010?
La respuesta de la gente fue no, no debe prohibirse, 66%. ¿Se debe
autorizar la construcción de nuevas centrales nucleares? La respuesta de la
ciudadanía fue si, 58%. ¿Por qué? Porque si bien la energía nuclear puede
tener algunos problemas de contaminación local, es mucho más grave la
contaminación por efecto invernadero, que lo acabamos de ver.
La producción de energía por fisión produce una serie de
elementos radiactivos, que son el 1 % en peso del
combustible agotado, de vida prolongada: cerca de
100.000 años para degradarse a la radiactividad natural.
Estos son:
Plutonio,
Plutonio Neptunio,
Neptunio Americio, Curio,
Curio (transuránidos)
Tecnecio, Iodo, Cesio y otros.
Eliminando los transuránidos, la vida radiactiva se
reduce a pocos cientos de años.
Esa es la idea bá
básica de la transmutació
transmutación. Tecnologí
Tecnología
en desarrollo.
El cobalto, el talio, el tecnecio y otros usados en
medicina son ejemplos de transmutació
transmutación aplicada.
aplicada
¿Cuáles son los desechos que se producen? Plutonio, Neptunio, Americio,
Curio, estos son transuránidos, tecnecio, yodo, cesio y otros, que eliminando
los transuránidos la vida radioactiva se reduce a muy pocos cientos de años.
31
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Esto se puede lograr por la transmutación, que es una tecnología que está en
desarrollo. El cobalto, el talio, el tecnecio y otros que ya están siendo utilizados
en medicina, son ejemplos de transmutación aplicada y la transmutación
aplicada es algo que el hombre ya domina, todavía no lo está dominando sobre
estos elementos, pero en poco tiempo lo va hacer.
El problema de los residuos nucleares. Estados Unidos almacena
mas de 80.000 toneladas; el mundo, cerca de 250.000 toneladas.
Corte mostrando el repositorio de Yucca Mountain, Estados Unidos.
Comienza a construirse este año, y el presupuesto es de
523 millones de dólares.
¿Qué hacemos con los residuos? El concepto es que hay que enterrarlos, pero
enterrarlos no es hacer un pozo y tirarlos adentro como muchos piensan. Este
es el concepto de enterramiento. Este es un proyecto que se está llevando a
cabo en Yuca Mountain, en Estados Unidos, con un presupuesto del orden de
u$s 520 millones para este año. Es un sistema minero, subterráneo, donde en
estos túneles, que son del tamaño de un vagón de ferrocarril, se depositan los
combustibles gastados.
32
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Túneles del repositorio
Acá tienen el esquema, fíjense que hay vías por el centro y cada uno de estos
tienen las barras adentro.
Acá tienen un esquema de las barras…
33
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Las cuales están aisladas para que no emitan radiación.
SECUENCIA DE UN
ACCIDENTE SIMULADO
CON UN CONTENEDOR
DE RESIDUOS
RADIACTIVOS.
La máquina se desplazaba a 140 Km/hora. El container resultó
indemne.Esta es sólo una de las pruebas a los que los containers se
someten.
Acá se muestra la seguridad del sistema de transporte y almacenamiento de
las barras. Este es un tren que choca a 140 km/h a un camión, que tiene uno
de los containers y el container queda así como ven, pero no pierde, se rompe
la máquina, pero el container no.
34
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Actinide and Fission Product Partitioning and Transmutation Seventh
Information Exchange Meeting Jeju, Republic of Korea 14-16 October
2002 http://www.nea.fr.html/pt/welcome.html.
Les muestro la curva de lo que es la vida en años, 10.000 años para lo que es
un sistema de combustible usado en un reactor y otro transmutado. En poco
cientos de años se llega a la radioactividad del uranio natural, que no es tóxica
para el hombre.
Estos son los países que están estudiando el proceso de transmutación.
35
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NEA Annual Report 2002 http://www.nea.fr
Acá les estoy mostrando seis esquemas de reactores nucleares, que están
siendo discutidos entre muchos países del mundo, Japón, Estados Unidos,
Francia, etc. y Argentina tiene dos representantes de la CNEA, como
observadores, no como participes ya que no hay plata para eso. La energía de
fisión tiene un futuro, estos equipos van aparecer todos entre el 2015 y el 2025
y son una alternativa, no contaminante en gases de efecto invernadero para
solucionar el problema energético de la humanidad.
36
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Acá tienen un esquema de cómo seria el esquema. Hay un sistema de
separación primaria para la fabricación de combustible, y de esos combustibles
con otros sistemas de separación, irán a otro sistema de reactor que se llama
reactor rápido que utilizaran esos residuos como combustibles. Después de un
sistema de separación, recién irán a repositorio, con eso se logra reducir a
menos del 10% el volumen que hay que guardar en los repositorios nucleares.
EVOLUCIÓN DE REACTORES
NUCLEARES EN LA ARGENTINA
Reactores de Exp.
1958
1960
1966
1967
1968
1970
1974
1978
1981
1982
1984
1988
1992
1997
2000
RA1
RA0
RA2
RA3
Reactores de
Potencia
Reactores
Exportados
(Constituyentes)
(Córdoba)
(Constituyentes)
(Ezeiza)
RA4 (Rosario)
Entrada en Servicio
ATUCHA I
RP0 (Perú)
RA6 (Bariloche)
Firma Contrato
ATUCHA II
Entrada en Servicio
Embalse
RP10 (Perú)
NUR (Argelia)
MTR (Egipto)
(Australia)
Acá tienen la evolución de los reactores nucleares instalados en la Argentina,
tenemos seis reactores experimentales y en este momento se está haciendo un
reactor para Australia, que es tan discutido y que habrán leído en los diarios.
PORCENTAJE DE ENERGIA ELECTRICA
GENERADA EN EL PAIS POR TIPO DE
GENERACIÓN
NUCLEAR
8,51%
EOLICA
0,06%
SOLAR
0%
TERMICA
46,54%
HIDRO
44,53%
DIESEL
0,36%
FUENTE: INFORME DEL SECTOR ELECTRICO
SECRETARÍA DE ENERGÍA
TIPO DE GENERACION
TERMICA:38.615 GWh
DIESEL:296 GWh
HIDRO: 36.950 GWh
NUCLEAR: 7.059 GWh
SOLAR: 0,043 GWh
EOLICA: 49 GWh
37
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Acá tienen los porcentajes, la energía nuclear es el 8,5% de la energía total
generada.
Esta es la relación de emisión por Kw. producido para carbón, antracita, para
gasoil, para gas natural y para uranio.
Impacto Ambiental de las
Centrales Nucleares
Las centrales nucleares NO PRODUCEN gases
tales como CO2 (Dióxido de Carbono), SO2
(Dióxido de Azufre) y NxOy (Óxidos Nitrosos)
PRINCIPALES RESPONSABLES DE LA
LLUVIA ACIDA Y EFECTO INVERNADERO.
La generación Térmica convencional, si no
hubiera operado la C.N.E., habria liberado a la
atmosfera:
Gases
Toneladas
CO2
35.226.329 Tn
SO2
626.942 Tn
NxOy
84.115 Tn
Partículas
42.841 Tn
38
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Comparación de eficiencia con
respecto al consumo mensual de
combustible
(gas, carbón, fuel oil y uraño)
Gas
141.390.000 m3
Carbón
Fuel Oil
171.700 Tn.
122.635 Tn. =
7000 camiones de
20 m3
Equivalencias:
500 grs. de Carbón
1,5 KWh
500 grs. de Fuel oil
2,0 KWh
Uranio
8.3 Tn =
10,6 m3 =
12 cajones de
36 E.C. c/u
500 grs. de Uranio nat. 29.000 KWh
Vista de un Elemento
Combustible Tipo “CANDU”
Ahí tienen la vista de un elemento Candu, que son los que usan en la Central
de Embalse.
39
Seminario Comodoro Rivadavia
Hay que terminar Atucha II
Y finalmente esta es la foto de Atucha II como está en este momento, 85% de
avance y aún no la hemos terminado. Creo que es una de las prioridades
anunciadas por el gobierno, terminar Atucha II y obviamente llevar a Yacireta a
cota 83. Las dos obras importantes que están pendientes, son las dos obras
que no van a producir dióxido de carbono.
Bibliografía
• http://www.worldenergy.org
/wecgeis/publications/default/tech_papers/17th_congress
/THE ROLE OF NUCLEAR POWER IN A SUSTAINABLE FUTURE
http://aaa.lanl.gov/atw/index.html
http://www.nei.org/index.asp?catnum=1&catid=13
http://www.nei.org/index.asp?catnum=1&catid=1
http://
www.pnl.gov//atw/
html
http://www.pnl.gov
atw/ReportToCongress/index2.
ReportToCongress/index2.html
http://www.nei.org/index.asp?catnum=1&catid=14
http://www.radwaste.org/index.html
http://www2.bnl.gov/ton/index.html
Alemania http://ens-news.com/index.asp Environment
News Service (edición del 22/10/02)
• Inglaterra http://www.pm.gov.uk/output/page6261.asp
•
•
•
•
•
•
•
•
40
Seminario Comodoro Rivadavia
Aquí les indico la bibliografía si quieren profundizar sobre el tema.
Fusión Nuclear: La energía de las estrellas
La fusión nuclear
brindará 106 veces
la energía de
cualquier
combustión
química.
Y voy a terminar con la fusión nuclear, la energía de las estrellas. La fusión
nuclear se produce combinando deuterio – tritio, obteniendo helio y un neutrón.
Es el sistema que el sol tiene para proveer energía, y todas las energías que
existen, tienen la primer energía, que es la energía del sol. En el sol no se
produce esta reacción, sino fusión de hidrógeno, pero no importa este es el
sistema que vamos a utilizar en la tierra. La energía es 106 veces la energía de
cualquier combustión química, un solo átomo que se combine, da el 10% de la
energía contenida en una pila doble AA, para que tengan una idea sobre
montos.
41
Seminario Comodoro Rivadavia
Fusión Nuclear: La energía de las estrellas
Se necesitan
cientos de
millones de
grados para que la
reacción sea
autosostenible. El
plasma en
reacción es
confinado
magnéticamente
en un esquema
toroidal.
¿Cómo se va a obtener? Se va a obtener en un estado de la materia que se
llama plasma, a centenares de millones de grados de temperatura. El plasma
debe ser confinado, obviamente no hay ningún material que lo aguante
magnéticamente, porque el plasma es magnético. Este sistema fue
desarrollado por los rusos y tiene un campo magnético toroidal y un campo
magnético vertical para mantenerlo.
42
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Fusión Nuclear: reactor piloto en construcción
Sector ya construído.
http://www.iter.org
Acá tienen un esquema de reactor piloto que se está estudiando para ser
construido. Hay dos candidatos en Europa, España y Francia. España con dos
locaciones y Japón lógicamente es candidato, ¿por qué? Porque este reactor
va a costar aproximadamente de 6.000 a 7.000 millones de euros, no es
barato. Pero fíjense en el reactor piloto, acá hay una persona. La primer planta
comercial se calcula que va a ser de 3.000 Mw. de potencia, o sea, la cuarta
parte de energía que consume la Argentina.
43
Seminario Comodoro Rivadavia
Sistema magnético superconductor
Acá lo que se va a estudiar, es como se hace para confinar el plasma y como
se hace para sacarle la energía a ese plasma. Porque tengo que sacar una
cantidad de energía por m2 de superficie del interior del toroide, que es del
orden de 10 veces más de lo que saco de la mejor caldera diseñada hasta hoy
por el ser humano. Entonces, hay que estudiar muy bien como se hace eso, y
además como se controla.
44
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Fusión Nuclear: ¿cuan lejos estamos?
El automantenimiento de la
reacción se espera para el 2015.
FUSION AS A FUTURE POWER
SOURCE: RECENT ACHIEVEMENTS
AND PROSPECTS (DS 6-5)
T. HAMACHER AND A.M. BRADSHAW
MAX-PLANCK-INSTITUT FÜR
PLASMAPHYSIK,
Fusión nuclear
Energí
Energía comercial
GARCHING/GREIFSWALD, GERMANY
ROLE OF FUSION ENERGY FOR THE 21
CENTURY ENERGY MARKET AND
DEVELOPMENT STRATEGY WITH
INTERNATIONAL THERMONUCLEAR
EXPERIMENTAL REACTOR (ITER) DS610
KIKUCHI MITSURU; INOUE NOBUYUKI
JAPAN ATOMIC ENERGY RESEARCH
INSTITUTE; KYOTO UNIVERSITY, JAPAN
¿Para cuando? Todavía falta, pero es una proyección de los japoneses, de
Hamacher, que están trabajando en el tema. Ellos calculan que entre el año
2040 y 2050, ya va a haber energía comercial. Se supone que el reactor piloto
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Seminario Comodoro Rivadavia
va a estar montado para el año 2012-2013 y va a operar durante 10 años para
determinar los parámetros y recién después empezar el sistema comercial. Y
además, están calculando que el primer reactor comercial, va a ser un reactor
de 3000 MW. de potencia. Es más o menos la cuarta parte de toda la potencia
que consume la Argentina. Fue presentado en 18 Congreso Mundial de la
Energía.
Tendencias Energéticas
• La energía nuclear y los proyectos hidroeléctricos
grandes para generar electricidad de base son hoy los
medios más eficaces para reducir las emisiones de
CO2.
• Los recursos renovables pueden ser la base de la
generación distribuida local. La matriz energética
mundial verá la penetración de estos en las próximas
décadas.
• La introducción y uso de energías renovables debe
ser acelerada por medio de más investigación y
desarrollo soportada por privados y gobiernos.
¿Cuáles serán entonces las tendencias energéticas? Primero energía
nuclear y proyectos hidroeléctricos grandes, son lo que tengo hoy como
medio más eficaz para reducir la emisión de dióxido de carbono. Los
recursos renovables serán la base de la generación distribuida local. La
matriz energética mundial, verá la penetración de estos en las próximas
décadas, pero el uso de estas energías y su introducción deben ser
aceleradas por medio de más investigación y desarrollo soportada por
privados y gobiernos.
46
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Emisiones de Alemania(Ggr de CO2 Equivalente)
1.400.000
LO QUE
1.200.000
1.000.000
DEBE SER:
800.000
600.000
400.000
200.000
EJEMPLOS
0
1990 1991 1992 1993 1994 1995 1996 1997 1998 1999 2000
DE
Comunidad Ec. Europea
ALEMANIA
4.250.000
4.200.000
Ggr de CO2 equiv.
4.150.000
4.100.000
Y LA CEE
4.050.000
4.000.000
3.950.000
3.900.000
1990 1991 1992 1993 1994 1995 1996 1997 1998 1999 2000
¿Cómo se están comportando los países? Están los que se portan bien y
los que se portan más o menos. Acá tienen el ejemplo de Alemania, fíjense
las emisiones en Ggr. de dióxido carbono equivalente como cayeron entre
1990 y el año 2000. Esta es toda la Comunidad Económica Europea, con un
muy buen comportamiento.
Emisiones en Estados Unidos
8.000.000
Lo que no
debe ser:
7.000.000
Ggr de CO2 equivalente
6.000.000
5.000.000
4.000.000
3.000.000
2.000.000
1.000.000
0
1986
1988
1990
1992
1994
1996
1998
2000
2002
2004
Japón
http://www.unfc
cc.de
1.600.000
1.400.000
1.200.000
Ggr de CO2 equivalente
Estados
Unidos y
Japón
1.000.000
800.000
600.000
400.000
200.000
0
1988
1990
1992
1994
1996
1998
2000
2002
47
Seminario Comodoro Rivadavia
Y acá están los que no se portan demasiado bien. Fíjense Estados Unidos
aumentaron sus emisiones, a pesar que per capita tienen sus emisiones
más altas del mundo, siguen en aumento y Japón también sigue en
aumento.
Nuestro
hogar.
Tiene aire,
agua, y un
clima
hospitalario
Debemos
mantenerlo
asi.
No tenemos
otro.
Nuestro hogar, tiene aire, agua, y clima hospitalario, lo tenemos que
mantener así porque no tenemos otro.
Muchas gracias.
48