Panorama Energético

Panorama Energético
Todo lo que usted siempre quiso saber y
nunca se animó a preguntar
Parte I: Recurso Solar
Mario Beroqui
IITREE-Fac. de Ing. UNLP
2010
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Contenido
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Energía Solar
Efecto invernadero
Unidades y números
Reservas
Conclusiones
Ref: http://eesc.ldeo.columbia.edu/courses/
ees/climate/lectures/radiation/
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Solar 1
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Reacciones termonucleares de fusión (H → He) liberan gran cantidad de energía.
Emisión en el espectro infrarrojo-visible-ultravioleta
•
•
Ley de Planck R (λ ,T)
Ley de Wien
λmx [µm] = a / T[ºK]
Tsol = 5780 ºK λsol = 0.6 µm
Tt = 288 ºK (15ºC) λt = 12.0 µm
• Ley de Stefan-Boltzman
R [W/ m^2] = σ T[ºK]^4
Tsol = 5780 ºK
Rsol = 63 10^6 W/ m^2
•
Potencia emitida por el Sol
Po = Rsol 4π rs^2
rsol = 701.8 10^6 m
Po = 3.9 10^26 W
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Solar 2
Distancia Sol-Tierra: DST=1.496*10^11 m
Radiación en esfera:
Ro=Po/4πDST^2
Ro=1386 W/m2
Po=3.9*10^26 W
Radiación neta
Ro*0.7 = 970 W/m2
Tsol=5780ºK
Reflejo 30%
El Sol emite una energía 3150 millones
de veces mayor que la que recibe la Tierra
Potencia neta recibida del sol en la Tierra:
Pt= 0.7*Ro* πrt^2 = 1.24*10^17 W
Radio terrestre:
rt = 6.378*10^6 m
La distancia entre la tierra y el sol varía por no ser circular la orbita de la Tierra alrededor del Sol esto provoca
variación del 3.5% en la energía que incide.
La reflexión depende del ángulo incidente y de la condiciones de la atmósfera, resultando la radiación absorbida
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diferente en distintos lugares y momentos, el valor del 30% es un promedio global.
Solar 3
• Relación Superficies esfera/circulo
4πr^2/πr^2=4
• Radiación en superficie terrestre
• Sin atmósfera. Media anual:
1386/4=346.5W/m^2
• Con atmósfera (neta).Media anual:
970/4=242.5W/m^2
•Radiación medida en Buenos Aires
Latitud 34º. Media anual:
•Sin atmósfera:
8.4 kWh/(m^2 dia) = 350W/m^2
•Con atmósfera (neta): :
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4.2kWh/(m^2 dia) = 175W/m^2
Efecto invernadero 1
La atmósfera está constituida por
78 % de nitrógeno, 21% de
oxigeno y 1% de otros
componentes como H2O y CO2.
La presencia de CO2 y H2O altera
la absorción de energía en la
atmósfera para radiaciones de
distinta longitud de onda
•Atmósfera absorbe poco las
radiaciones cortas 0.6 µm (Sol)
•Atmósfera absorbe bastante
radiaciones largas 12 µm (Tierra)
Esta selectividad en la absorción
da lugar al denominado efecto
invernadero
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Efecto invernadero 2
Potencia neta recibida del sol en la Tierra:
Pt= 0.7*Ro* πrt^2 = 1.24*10^17 W
Potencia radiada por la Tierra:
Ptex= 4 πrt^2 *σ*Ttex^4
Tierra
Balance Pt = Ptex
= 0.7*Ro* πrt^2 = 4 πrt^2 * σ *Ttex^4
Ttex =(0.7*Ro/4*σ)^1/4
•Temp de equilibrio: Ttex = –18ºC (255ºK)
•Sin embargo la temperatura media de la
superficie de la tierra es mayor
•Temp de superficie: Tts = +15ºC (288ºK)
atmósfera
Este aumento de la temperatura superficial
de la Tierra se denomina efecto invernadero
Tts
Ttex
* La radiación incidente
atraviesa la atmósfera
con poca absorción
* La radiación emitida
atraviesa la atmósfera
con bastante absorción
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Efecto invernadero 3
Transferencia de calor a través de la Atmósfera
Q = UAt (Tts-Ttex)
• Coeficiente de transferencia U disminuye con
el aumento de la concentración de CO2
• Para el mismo Q si U baja (Tts-Ttex) sube
Ttex
Tts Q -18ºC
15ºC
Tts-Ttex
33ºC
• Como Ttex es fija aumenta Tts
• La combustión de combustibles fósiles libera CO2, a razón de 2.4
Ton CO2/Tep aproximadamente. Sobrecalentamiento superficial.
• Un aumento de la potencia emitida igual al consumo mundial de
energía, según la ley de Stefan-Boltzman se logra con un aumento
de 0.01 ºC en la Ttex y por lo tanto en la Tts.
El calentamiento global, tiene lugar por la influencia del CO2 en
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el efecto invernadero y no por la energía liberada en si misma.
Unidades y números
• Unidades
K: 10^3
M: 10^6
G: 10^9
T: 10^12
Energía
1kW-h = 860 kcal = 3412 BTU
1Tep = 11.63 MW-h = 10 Gcal
Potencia
1Tep/dia = 0.485 MW
1Tep/año = 1328 W
• Potencia neta incidente Ri =242 W/m2
• Ri =242 W/m2 = (242/1328) Tep/año-m2 = 0.182 Tep/año-m2
• Ri =182 kgep/año-m2 = 0.5 kgep/dia-m2
• Ri =0.182 Tep/año-m2 = 1820 Tep/año-Ha
• Energia incidente anual Ri*St = 1.24*10^17 W = 93.3 10^12 Tep/año
• Energía consumida mundialmente en 2007: 12000 MTep/año
• Relación Potencia incidente /potencia consumida
= 93.3 10^6 MTep / 12000 MTep = 7775
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Rendimiento de energía-Soja
• Rendimiento de la soja
• Rendimiento por ha-año = 3 [Tsoja/Ha-año]
• Rendimiento aceite = 500 [lt/Ha-año]
• Poder calorífico inferior aceite = 8200 [kcal/lt]
• Rendimiento energético aceite = 4.1 10^6 [kcal/Ha-año]
= 4.1[Gcal/Ha-año]
• Rendimiento energético por Ha-año = 0.41 [Tep/Ha-año]
• Relación entre la potencia acumulada y la potencia incidente
• ηa_soja = Potencia acumulada soja / Potencia incidente =
ηa_soja = 0.41/1820 = 1/ 4439
• El aprovechamiento de la energía solar, vía soja es de 1 parte de
energía almacenada cada 4439 partes de energía incidente.
• Tiempo de radiación incidente equivalente a la energía anual
acumulada (8760 h/año / 4439) * 12 hsol/24 h = 1.0 hsol/año
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Rendimiento de energía-Vegetal
• Rendimiento vegetal
• Rendimiento por ha-año = 3 [Tvegetal-húmedo/Ha-año]
• De cada tonelada húmeda se obtienen 200 kg-seco
• Rendimiento por ha-año = 0.6 [Tvegetal-seco/Ha-año]
• Poder calorífico inferior = 1500 [kcal/kg-seco] =
= 1.5 [Gcal/Tvegetal-seco] (igual papel)
• Rendimiento energético = 0.9 [Gcal/Ha-año] = 0.09 [Tep/Ha-año]
• Relación entre la potencia acumulada y la potencia incidente
• ηa_vegetal = Potencia acumulada / Potencia incidente =
ηa_vegetal = 0.09/1820 = 1/ 20222
• El aprovechamiento de la energía solar, vía vegetales es de 1 parte
de energía almacenada cada 20222 partes de energía incidente.
• Tiempo de radiación incidente equivalente a la energía anual
acumulada (8760 h/año / 20222) *12hsol/24h = 13 min-sol/año
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Acumulación vegetal
• Considerando la superficie terrestre St = 4πrt^2
con rt = 6.378 10^6 m resulta:
St = 5.11 10^14 m2 = 5.11 10^10 Ha
• Con vegetales la acumulación resulta = 0.09 [Tep/Ha-año]
Si se considera que toda la superficie del planeta es capaz de producir
vegetales.
En total se tendrá: 0.09 [Tep/Ha-año]*St = 4.6 10^9 Tep/año =
Energía acumulada anual = 4600 MTep/año.
• Mas razonable sería considerar que la superficie útil para el crecimiento de
vegetales, es a lo sumo del orden de la mitad o un cuarto de la superficie
total. Considerando un cuarto, daría una acumulación anual de:
Energía acumulada anual = 1150 MTep/año
• Energía consumida mundialmente en 2007: 12000 MTep/año
• Es decir lo que la naturaleza es capaz de absorber en 10 años, lo
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consumimos en uno.
Energía para la alimentación
• Ración diaria de alimentación de una persona: 2000 kcal/dia-hab
= 0.002 Gcal/dia-hab = 0.0002 Tep/dia-hab = 200 gep /dia-hab.
• Ración anual de una persona: 365 dias/ año * 0.2 kep/dia-hab
= 73 kep/año-hab = 0.073 Tep/año-hab
• Cantidad de energía necesaria para alimentar la población mundial:
6600 10^6 hab * 0.073 Tep/año-hab =482 10^6 Tep/año
= 482 MTep/año
• Energía consumida mundialmente en 2007: 12000 Mtep/año
La energía consumida mundialmente resulta alrededor de 25 veces mayor
que la energía necesaria para la alimentación de la humanidad.
• Energía acumulada en vegetales anual = 1150 MTep/año
La energía para alimentación de la humanidad, resulta alrededor de 2.4
veces menor que la energía que se acumula anualmente en vegetales.
• ¿Podremos usar vegetales para “generar ” energía?
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Rendimiento de energía-Animal
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Animal superior 70% agua, 30% materia orgánica
Poder calorífico materia orgánica animal = 5000 kcal/kgorg = 0.5 kep/kgorg
•
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Energía por kilo animal = 0.3*0.5 = 0.15 kep/kganimal
Energía por humano = 0.15 kep/kganimal * 60 kg = 9 kep
Consumo humano 2000 kcal/día-hab = 73 kep/año-hab
• En 20 años consume 1460 kep y alcanza un peso de 60 kg (engorde 3kg/año)
• En 70 años consume 5110 kep y alcanza un peso de 60 kg
•
•
Relación entre energía acumulada y energía de alimento consumido
• ηa_Engorde (20 años) 9 kep/1460 kep = 0.00616 = 1/162
• ηa_Vida (70 años) 9 kep/5110 kep = 0.00176 = 1/568
Relación entre energía acumulada y energía incidente
• ηa_vegetal = energía vegetal/energía incidente = 1/ 20222
• ηa_animal_engorde=ηa_vegetal*ηa_Engorde=1/ 20222*1/162 = 1/3.3 millones
• ηa_animal_vida = ηa_vegetal * ηa_Engorde =1/ 20222*1/568 = 1/11.5 millones
• Si la mitad de los vegetales son alimento de animales se tendrá:
• Energía acumulada en vegetales es de 1150/2 = 575 Mtep/año
• Energía acumulada en animales es de 575/162 = 3.5 Mtep/año
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Reservas
• Reserva comprobada, Reserva inferida y Recurso
• Las reservas fósiles mundiales comprobadas (gas, petróleo y
carbón) son de 0.8 millón de Mtep
• Energía consumida mundialmente en 2007: 12000 MTep/año
• Las reservas mundiales representan 67 años del consumo
actual
0.8 MMTep / 12000 Mtep/año = 67 años
• Cuanto de lo absorbido se acumula y cuanto es explotable?
• Debe mantenerse sin descomposición química a lo largo de
millones de años
• Debe estar suficientemente concentrada
• Debe ser física y económicamente posible de recuperar 15
Reservas
• Si toda la energía absorbida por vegetales se acumula, considerando
un período de acumulación de 100 millones años (vegetales
superiores)
1150 MTep/año*100 10^6 años = 115 10^9 Mtep
• Hasta el momento se estima que el hombre ha consumido reservas por
un total de 0.35 millones de Mtep que sumadas a las reservas actuales
de 0.8 millones de Mtep, resulta que se ha acumulado en reservas
E reservas = 1.15 MMtep
• Como se estima que la energía absorbida por los vegetales desde el
inicio de los tiempos es de E abs = 115000 MMtep
• Se tendrá que de 100000 partes de energía absorbida, solo una se
convierte en reservas
E abs / E reservas = 115000 MMTep / 1.15 MMTep = 100000 veces
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Conclusiones
• El calentamiento global, no depende de que usemos mucha energía,
sino del tipo de energía que usemos.
• La energía que llega a la Tierra anualmente es del orden de 8000 veces
mas grande que la energía consumida mundialmente.
• Consumimos en un año lo que la naturaleza tarda 10 en absorber.
• La energía consumida mundialmente, resulta alrededor de 25 veces
mayor que la energía necesaria para la alimentación de la humanidad.
• La energía que se acumula anualmente en vegetales, resulta del orden
la energía necesaria para alimentación de la humanidad. Si se usa
como energético faltará como alimento.
• Solo una pequeña proporción de la energía absorbida por los vegetales
se transforma en reservas, es decir puede recuperarse para su uso
• Las reservas fósiles aunque declinantes alcanzan para casi 70 años de
consumo actual.
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Gracias por su
atención
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