Retos en la I+D+i en Energía

Retos en la I+D+i en Energía
David Serrano
Instituto IMDEA Energía
Universidad Rey Juan Carlos
Contribución de las diferentes fuentes de energía primaria
1973
Petróleo
45,0%
Carbón
24,8%
Otros
0,1%
Renovables
y Residuos
11,2%
2004
Petróleo
34,3%
Carbón
25,1%
Otros
0,4%
Gas Natural
16,2%
Hidro...
1,8%
Renovables
y Residuos
10,6%
Nuclear
0,9%
6035 Mtep
Combustibles fósiles: 86%
Gas Natural
20,9%
Hidro...
2,2%
Nuclear
6,5%
11059 Mtep
80%
Consumo de energía primaria en España en 2008
Contribución de las fuentes energéticas
Dependencia de combustibles fósiles: 81,6%
Relación Reservas/Producción de combustibles fósiles (2009)
 Petróleo: R/P = 45,7 años (56,6% en Oriente Medio)
 Gas natural: R/P = 62,8 años (40,6% en Oriente Medio)
 Carbón: R/P = 119 años (distribución más uniforme)
Flujos energéticos mundiales
Volatilidad de los precios de los combustibles fósiles
Consecuencias medioambientales de los combustibles fósiles
Contaminación atmosférica:
 Óxidos de azufre
 Óxidos de nitrógeno
 Partículas sólidas
 Hidrocarburos
 CO
Carbón (H/C=1)
 CO2
Petróleo (H/C=2)
Gas natural (H/C=4)
Ciclo del carbono
Incremento en la concentración de gases de efecto
invernadero en la atmósfera
Tiempo ( hasta 2005 )
5000
0
10000
Tiempo ( hasta 2005 )
5000
0
Óxido Nitroso (ppm)
Metano (ppm)
10000
Radiación incidente (W m-2)
Tiempo ( hasta 2005 )
5000
0
Radiación incidente (W m-2)
Dióxido de Carbono (ppm)
10000
NOX
CH4
Radiación incidente (W m-2)
CO2
 Nuevo record de [CO2] en la atmósfera: 390 ppm en 2010 (+ 1,90 ppm)
 En 2007 China superó a USA como mayor emisor de CO2
Temperatura media
Efectos del cambio climático
• Temperatura
• Nivel del mar
• Cobertura de nieve en el
hemisferio norte
Diferencia entre
Nivel medio del mar
Cobertura de nieve en el hemisferio norte
Año
Consecuencias medioambientales de los combustibles fósiles
Evolución y proyección en el consumo de combustibles
Evolución y proyección en el consumo de combustibles
COMBUSTIBLE
RELACIÓN C/H
Carbón
2
Petróleo
0.5
Gas natural
0.25
Hidrógeno
0
Evolución reciente en el consumo de los combustibles
respecto del total de energía primaria
Energy consumption share (%)
50
45
Oil
40
35
30
Coal
25
Gas
20
15
Others
10
5
1960 1965
1970 1975
1980 1985
Year
1990 1995 2000
2005 2010
Evolución y proyección en el consumo de combustibles
COMBUSTIBLE
RELACIÓN C/H
Carbón
2
Petróleo
0.5
Gas natural
0.25
Hidrógeno
0
Reto global: desarrollo de un sistema energético sostenible
• Ahorro y eficiencia energética
Reto global: desarrollo de un sistema energético sostenible
• Ahorro y eficiencia energética
• Tecnologías energéticas bajas en carbono
- Captura y almacenamiento de CO2
- Energía nuclear
Reto global: desarrollo de un sistema energético sostenible
• Ahorro y eficiencia energética
• Tecnologías energéticas bajas en carbono
- Captura y almacenamiento de CO2
- Energía nuclear
• Energías renovables
- Energía eólica
- Energía solar
- Biomasa
Reto global: desarrollo de un sistema energético sostenible
• Ahorro y eficiencia energética
• Tecnologías energéticas bajas en carbono
- Captura y almacenamiento de CO2
- Energía nuclear
• Energías renovables
- Energía eólica
- Energía solar
- Biomasa
• Vectores energéticos
- Redes eléctricas inteligentes
- Almacenamiento de energía
- Hidrógeno
Evolución del gasto público de I+D en energía
Funcionamiento del sistema de I+D+i
Ahorro y Eficiencia Energética
Eficiencia de las transformaciones energéticas
Eficiencia en la generación de energía eléctrica:
centrales de ciclo combinado
Eficiencia en la generación de energía eléctrica/calor:
cogeneración
Consumo específico de combustible de los automóviles
Litres/100 km
Pilas de combustible
Pila de combustible: dispositivo electroquímico que convierte
directamente la energía química en energía eléctrica.
Motores Térmicos
Combustión
con oxígeno
Energía
Térmica
Energía
Mecánica
Límite de Carnot
Generador
η≈1
ηmáx =1-Tf/Tc
Energía
Química
(Combustible+
Oxidante)
Energía
Eléctrica
Pilas de Combustible
Ahorro de energía asociado a las medidas de
ahorro y eficiencia energética
Descarbonización:
Captura y Almacenamiento de CO2
Descarbonización del sistema energético
Captura y secuestro de CO2
Alternativas de captura de CO2
Captura de CO2
Alternativas de confinamiento de CO2
Evolución prevista en la eficiencia de las
plantas de combustibles fósiles
Secuestro de CO2 y recuperación avanzada de petróleo
Captura y secuestro de CO2
 Sistemas de captura de CO2 de bajo impacto ambiental:
absorción, adsorción, carbonatación
 Necesidad de proyectos de demostración a gran escala.
 Mapas de sitios con potencial de almacenamiento.
 Objetivo prioritario: plantas de generación de electricidad por
combustión.
 Objetivo secundario: industrias intensivas en energía.
 Necesidad de crear las infraestructuras necesarias para el transporte
de CO2.
 Incentivos económicos: tasa sobre emisiones de CO2.
Descarbonización: Energía Nuclear
Energía nuclear
Energía nuclear de fisión
Energía nuclear de fisión: necesidades tecnológicas y retos de I+D
 Mejora adicional de la seguridad de las centrales nucleares.
 Centrales de pequeño y medio tamaño (200 – 500 MW);
Países en vías de desarrollo
 Reprocesamiento de los combustibles nucleares gastados:
- Mejor aprovechamiento del combustible
- Menor actividad de los residuos.
 Coproducción de hidrógeno y electricidad.
Energías Renovables
Energías Renovables
Ventajas potenciales de las Energías Renovables
 Incremento del grado de autoabastecimiento y mejora en la
seguridad de suministro de energía
 Menor impacto ambiental
 Reducción de emisiones de gases de efecto invernadero
 Mejora de la calidad de vida en zonas urbanas
 Promueven el desarrollo regional y rural
 Generación de empleo
 Fuerte apoyo social
Limitaciones de las Energías Renovables
 Bajo grado de desarrollo tecnológico
 Energía muy diluida
 Gran variabilidad temporal
 Dificultad de acoplar generación y demanda
 Eficiencias energéticas bajas
 Coste económico elevado
 En ocasiones, incertidumbre sobre los beneficios
ambientales reales
Estimación del potencial de las Energías Renovables
Renewable Energy Scenario to 2040, EREC 2007
Principales países por inversiones en Energías Renovables (2006)
Energía Eólica
Energía eólica
•
Ha experimentado un crecimiento exponencial en los
últimos años.
•
El coste se ha reducido por un factor de 4 desde 1980.
•
Se estima que su implantación comercial seguirá
produciéndose con crecimientos de dos dígitos.
•
La energía generada por las turbinas depende
fuertemente de las características del viento (recurso de
elevada variabilidad y todavía difícil predicción).
•
El tamaño de los aerogeneradores influye positivamente
sobre la eficiencia y los costes.
•
Impacto ambiental no despreciable: ruidos, visual, efecto
sobre las aves.
Energía eólica marina
•
Enorme potencial de desarrollo futuro: recursos
sin explotar.
•
Mayor intensidad y velocidad del viento.
•
Posibilidad de incrementar todavía más el
tamaño del aerogenerador.
•
Menores exigencias estéticas y de ruido.
•
Necesidad de soportar condiciones duras de
operación: resistencia mecánica, corrosión,
accesibilidad.
•
Impactos ambientales adicionales y en gran parte
todavía desconocidos.
•
El coste de inversión depende de la profundidad
de las aguas y de la distancia a la costa.
Energía eólica: necesidades tecnológicas y de I+D
•
Mapas globales de disponibilidad de recursos eólicos, incluyendo las
zonas marinas próximas a las costas.
•
Mejora de los sistemas de predicción de vientos a corto-medio plazo.
•
Incrementar el tamaño (potencia) de los aerogeneradores hasta 10 MW.
•
Utilización de nuevos materiales con elevada resistencia mecánica por
unidad de masa y/o elevada resistencia a la corrosión.
•
Rotores inteligentes: sistemas de control y minimización de las cargas
que soportan.
•
Desarrollo de sistemas masivos de almacenamiento de energía.
•
Mejora del conocimiento sobre el impacto ambiental que pueden tener los
parques eólicos marinos.
•
Nuevos sistemas de anclaje al fondo marino.
•
Utilización de plataformas flotantes.
•
Sistemas híbridos: eólica – mareomotriz.
Energía Solar
Energía solar fotovoltaica
Energía solar de concentración
Energía solar
•
Contribución a la generación eléctrica en 2050:
ACT: 6%
BLUE: 11%
•
Contribuciones repartidas al 50% entre PV y CSP
•
PV no es actualmente competitiva, salvo en aplicaciones sin conexión a
red (zonas remotas).
•
Buenas perspectivas de desarrollo de CSP especialmente en las zonas con
mayor irradiación solar.
•
CSP se acopla bien con los picos de demanda eléctrica provocados por los
sistemas de aire acondicionado.
•
Costes de CSP intermedios entre los de PV y eólica.
Energía solar PV: necesidades tecnológicas y de I+D
•
Módulos de c-Si: aumento de la eficiencia, reducción
de la intensidad de material y de costes.
•
Módulos de lámina delgada: aumento de la eficiencia
y de la durabilidad.
•
Desarrollo de sistemas PV de tercera generación:
- Sistemas de eficiencias elevadas
- Sistemas de bajo coste:
celdas solares sensibilizadas con
colorantes
celdas solares orgánicas
•
Desarrollo de materiales de construcción con
propiedades fotovoltaícas, que puedan reemplazar a
los convencionales.
Energía solar CSP: necesidades tecnológicas y de I+D
•
Aumento de la eficiencia: aumento de la
temperatura, optimización de los
diferentes componentes, modificación del
fluido del ciclo termodinámico.
•
Desarrollo de sistemas de
almacenamiento de energía: incremento
del tiempo de suministro.
•
Integración en plantas de desalación:
producción de electricidad, calor y agua.
•
Co-producción de hidrógeno: ciclos
termoquímicos.
•
Co-utilización del calor en procesos
industriales (producción de metales).
Biomasa y Bioenergía
Biomasa y bioenergía
•
Representa en la actualidad la principal contribución a las ER.
•
Sistemas tradicionales: muy poco eficientes.
•
La disponibilidad de biomasa en 2050, en forma de cultivos
energéticos y residuos, dependerá de la eficiencia de los
sistemas agrícolas y forestales.
•
Escenario BLUE Map: el uso de la biomasa se multiplica para
el 2050 por un factor de 4, llegando a representar un 23% de
la energía primaria mundial.
•
La introducción a escala comercial de los biocarburantes de
segunda generación será un factor clave para reducir las
emisiones de efecto invernadero.
•
Escenario BLUE Map: los biocarburantes llegan a representar
un 26% del total de carburantes, requiriendo para su
producción un 4% de la superficie total cultivable.
Biomasa y bioenergía
•
En la generación de electricidad a partir de
biomasa, jugarán un papel clave las
tecnologías avanzadas de combustión:
- Plantas de cogeneración.
- Plantas de ciclo combinado.
- Plantas de co-combustión con carbón.
•
La gasificación de biomasa acoplada al
proceso Fisher-Tropsch puede ser una vía
importante para la producción de
biocarburantes líquidos.
Biomasa y bioenergía: centrales de combustión de biomasa
Biomasa y bioenergía: retos tecnológicos y de I+D
•
Biocombustibles de segunda generación: a partir de materiales
lignocelulósicos.
•
Desarrollo de cultivos de elevado rendimiento y resistencia a las plagas,
disminuyendo la utilización de fertilizantes y pesticidas.
•
Producción a partir de diferentes tipos de residuos: agrícolas, forestales
y urbanos.
•
Biocombustibles a partir de algas.
•
Bio-refinería.
•
Desarrollo a escala comercial de procesos de gasificación de biomasa
para obtener gas de síntesis y/o hidrógeno.
•
Criterios de sostenibilidad: consumos energéticos, deforestación,
impacto ambiental global (ACV).
Biomasa y bioenergía: bio-refinerías
Biomasa y bioenergía: microalgas
Retos en la Gestión de la Generación
de Electricidad
Generación distribuida y redes eléctricas inteligentes
Redes eléctricas inteligentes: retos tecnológicos y de I+D
• Suministro sostenible de electricidad:
generación y demanda consideradas
conjuntamente.
• Integración de la generación convencional
con la generación a partir de ER.
• Gestión eficiente de las fluctuaciones que
conlleva la generación de electricidad a
partir de ER.
• Desarrollo de un auténtico mercado
transnacional de electricidad.
• Transición desde un sistema pasivo a una
red de distribución de electricidad activa e
inteligente.
Sistemas de Almacenamiento
de Energía
Tecnologías de almacenamiento
Eléctrico:
• Condensadores
• Supercondensadores
Mecánico:
• Hidráulico
• Aire comprimido
• Volantes de inercia
Térmico:
• Vapor
• Sales fundidas
Electroquímico:
• Baterías
Químico:
• Hidrógeno
Sistemas de almacenamiento de energía: retos tecnológicos y de I+D
• Incremento de la energía específica almacenada.
• Incremento de la densidad energética almacenada.
• Mejora de la eficiencia del sistema de almacenamiento:
cantidad y forma de energía a la entrada y a la salida
• Tiempos de autodescarga adecuados en función de la aplicación final.
Automoción
• La sostenibilidad del transporte exige una alternativa al motor de combustión
interna que podría ser el automóvil eléctrico.
• Es necesario desarrollar sistemas de almacenamiento eléctrico que
proporcionen una autonomía adecuada entre recargas a un coste razonable.
Requisitos para aproximarse al motor de combustión interna
•
•
•
•
•
Mayor potencia específica (excepto condensadores)
Mayor energía específica
Tiempos de vida más largos
Rangos de temperatura de operación más amplios
Menor coste
Retos del Hidrógeno como
Vector Energético
Hidrógeno como vector energético
•
El producto de la utilización del hidrógeno como
combustible es agua. No existen, por tanto,
emisiones de sustancias contaminantes. Tampoco se
generan gases de efecto invernadero.
•
Se puede utilizar como combustible en una amplia
variedad de sistemas: motores, turbinas y pilas de
combustible.
•
La transformación hidrógeno/electricidad tiene lugar
en ambas direcciones con una elevada eficacia.
•
Se puede transportar largas distancias en fase gas o
en fase líquida.
•
A diferencia de la energía eléctrica, el hidrógeno se
puede acumular y almacenar en grandes cantidades.
Hidrógeno como vector energético
•
•
•
•
•
El hidrógeno es el elemento más abundante en el universo.
Actualmente no se encuentra libre en la Tierra.
No se puede considerar una fuente de energía primaria.
Se puede obtener a partir de una amplia variedad de fuentes de energía.
Es renovable y limpio si la fuente de energía de la que procede lo es.
Hidrógeno como vector energético
Fuentes
conversión
&
distribución
uso
fósiles
electricidad
nuclear
hidrógeno
Renovables
Conversión local
a electricidad
(fuel cells)
Usos
eléctricos
Combustible de
transporte
Combustible
doméstico
Combust. industrial
& gas reductor
Usos químicos
Hidrógeno como vector energético
Producción actual de H2: 95% a partir de combustibles fósiles
•Grid
Integración hidrógeno – energía eólica
•ICE/Fuel Cell
•O2
Gas
•Power
Conditioner
•Control
•
Systems
•H2
Gas
•+
•V
~ =
••H2 Trucking
Electrolyzer
H2O
•H2 Pipeline
Hidrógeno: retos tecnológicos y de I+D
• Desarrollo de sistemas de producción de H2
eficientes y limpios:
A partir de ER o de CF con CCS.
• Sistemas de almacenamiento de hidrógeno
para vehículos:
capacidad, peso, velocidad de carga y
descarga
• Disponibilidad de infraestructuras de
transporte y distribución.
• Desarrollo comercial a gran escala de las
pilas de combustible.
Evolución y proyección en el consumo de combustibles
COMBUSTIBLE
RELACIÓN C/H
Carbón
2
Petróleo
0.5
Gas natural
0.25
Hidrógeno
0
Gracias por su
atención