[FIXED]EnergÃa, agua, medioambiente, territorialidad y sostenibilidad

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Energía, agua, medioambiente

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  • ENERGA, AGUA, MEDIOAMBIENTE,TERRITORIALIDAD Y SOSTENIBILIDAD

  • ENERGA, AGUA, MEDIOAMBIENTE,TERRITORIALIDAD Y SOSTENIBILIDAD

    Xavier Elas CastellsSantiago Bordas Alsina

  • Xavier Elas Castells, 2011 (Libro en papel) Xavier Elas Castells, 2012 (Libro electrnico)

    Reservados todos los derechos.

    No est permitida la reproduccin total o parcial de este libro, ni su tratamiento informtico, ni la transmisin de ninguna forma o por cualquier medio, ya sea electrnico, mecnico, por fotocopia, por registro u otros mtodos sin el permiso previo y por escrito de los titulares del Copyright

    Ediciones Daz de Santos, S.A.Albasanz, 228037 MADRID

    http.//[email protected]

    ISBN: 978-84-9969- 125-1 (Libro electrnico)ISBN: 978-84-9969-009-4 (Libro en papel)

  • Para mis hijas Beatriz, Isabel e Irene que como el fuego, el aire y el agua han sido la energa de mi vida.

    Xavier

    A Montserrat

    Santiago

  • IEL MODELO ENERGTICO ESPAOL

    1. Introduccin. Previsin de consumo energtico. ..................................................................................32. El consumo energtico de la Unin Europea y de Espaa a medio plazo. .........................................293. Produccin y abastecimiento de combustible en Espaa ...................................................................454. La distribucin de la energa en Espaa. Infraestructuras energticas espaolas. ..............................555. Curvas de demanda y consumo elctrico............................................................................................716. Coste de generacin de la electricidad. Coste real de generacin ......................................................837. El ahorro de energa ............................................................................................................................898. Los combustibles fsiles y el impacto ambiental .............................................................................1019. Nocin de sostenibilidad energtica ................................................................................................. 111

    IIASPECTOS AMBIENTALES Y DEMOGRFICOS RELACIONADOS

    CON LA ENERGA

    10. El confort y su repercusin en el consumo energtico .....................................................................12911. Distribucin geogrca de la poblacin espaola ............................................................................13512. Territorio, energa e impactos ambientales de los sistemas de generacin de electricidad. Valoracin de los impactos ambientales ...............................................14113. Sistemas de captura y secuestro de CO2 ...........................................................................................15714. La deserticacin de la pennsula ibrica. Consecuencias energticas ............................................17115. El problema del agua desde el punto de vista de la energa. Costes de desalacin y trasvases. .......18316. Territorio y poblacin. Residuos y efecto invernadero. ....................................................................20117. Sostenibilidad: huelga ecolgica, ambiental y social .......................................................................215

    NDICE

    Presentacin ............................................................................................................................... XIIIPrlogo .........................................................................................................................................XV

  • X Energa, agua, medioambiente, territorialidad y sotenibilidad

    IIIENERGA Y TRANSPORTE

    18. El sector del transporte. Aspectos ambientales y energticos del transporte. ...................................23119. Diversas modalidades del transporte ................................................................................................24320. Modelo actual. Sostenibilidad ambiental del transporte. ..................................................................27121. Impacto ambiental y sostenibilidad del transporte a medio plazo. ...................................................29922. La eciencia energtica del transporte. Alternativas ........................................................................30923. Las pilas de combustible. ..................................................................................................................33324. Los carburantes de segunda generacin ...........................................................................................36125. El transporte de futuro ......................................................................................................................397

    IVLA VIVIENDA Y EL CONFORT

    26. Aspectos ambientales y energticos de la edicacin ......................................................................42127. Urbanismo ........................................................................................................................................43728. Climatologa. Cargas trmicas y demanda energtica ......................................................................44529. Materiales de construccin. Aislantes...............................................................................................45330. Ventilacin, calefaccin y aire acondicionado..................................................................................48531. Domtica...........................................................................................................................................50532. Arquitectura bioclimtica ................................................................................................................. 51133. La vivienda sostenible. Materiales para una construccin sostenible. Equipamiento domstico ....54534. Normativa de edicacin en los edicios. CTE, RITE y certicacin .............................................581

    VENERGAS RENOVABLES

    35. Denicin y expectativas de las diversas fuentes de energa renovable...........................................59536. La radiacin solar. .............................................................................................................................59937. La energa del viento ........................................................................................................................65138. La energa geotrmica .......................................................................................................................67339. La energa hidrulica ........................................................................................................................68340. Energa del ocano ............................................................................................................................69341. Potencial de ubicacin y calendario de implantacin de las EE RR en Espaa ...............................71742. La produccin de hidrgeno con EE RR ..........................................................................................729

    VIBIOMASA Y BIOENERGA

    43. Biomasa y bioenerga .......................................................................................................................74144. Combustibles residuales. Valorizacin de residuos ..........................................................................76945. Combustibles lquidos a partir de biomasa .......................................................................................78146. Los biogases .....................................................................................................................................79947. La eciencia de las transformaciones energticas en la biomasa .....................................................819

  • XIndice

    48. Las microalgas y los carburantes del futuro .....................................................................................83149. Biotecnologa y sistemas avanzados de ahorro de energa ...............................................................85550. Nocin de biorrenera .....................................................................................................................871

    VIICONCLUSIONES. ENERGAS RENOVABLES VERSUS

    CONVENCIONALES

    51. Posibilidades reales de sustitucin del modelo energtico actual ....................................................88152. El almacenamiento de la energa ......................................................................................................90153. Costes de generacin de la electricidad a partir de las energas renovables .....................................92154. Costes econmicos de las energas renovables en el horizonte de 2040 ..........................................94755. Costes de generacin de electricidad con el nuevo modelo energtico ............................................95556. Distribucin de la generacin de la energa en el nuevo modelo .....................................................959 57. Conclusiones. El modelo energtico del futuro ................................................................................969

    ndice analtico ........................................................................................................................................975

  • Nuestro actual modelo socioeconmico, basado en el crecimiento econmico exponencial e ilimitado, se asienta en la abundancia de la energa barata. A primeros de 2008 algo ms del 80% de la energa pri-maria que consuma el mundo proceda de los combustibles fsiles.

    Cualquier actividad, trabajo o material lleva asociado el consumo de una cantidad determinada de energa. Por tanto, vale la pena meditar sobre la manera en que nuestra sociedad podr seguir disfrutando de este preciado bien cuando sea preciso cambiar el modelo energtico. Esta obra justica y expone un plan de implantacin de energas renovables en Espaa.

    La actual crisis econmica forzar a replantear una reexin sobre la matriz energtica actual, su sos-tenibilidad y la necesidad de cambio de modelo para no tener que alterar en demasa el nivel de confort variando muy poco los hbitos de vida. Por ello, la obra se divide en tres bloques claramente diferencia-dos, pero unidos por un mismo hilo conductor: la energa.

    En el primer bloque, integrado por las partes I a IV, se analizan las causas del consumo energtico; en otras palabras, la actual problemtica energtica. Los espaoles tenemos un consumo elctrico medio, por persona, de 5.711 kWh/ao y una energa primaria de 3,2 tep/ao 37.200 kWh/ao). Esta obra no pone en cuestin si estos consumos son necesarios o no y si resultan elevados, de hecho son inferiores a los de nuestros vecinos comunitarios, aunque s pueden y deben optimizarse. Sin embargo, el anlisis de la situacin actual promueve y facilita el hallazgo de soluciones alternativas para el futuro.

    I. EL MODELO ENERGTICO ESPAOL. En esta Parte se desmenuza la estructura del sistema de generacin de electricidad, el suministro de combustibles y el sistema de distribucin energtico.

    II. ASPECTOS AMBIENTALES Y DEMOGRFICOS RELACIONADOS CON LA ENERGA. El aumento de la demografa, su asentamiento, la deserticacin del territorio, la creciente demanda de agua. La infraestructura asociada a todo ello conduce, inexorablemente, a un incremento del consumo de energa.

    III. ENERGA Y TRANSPORTE. El transporte, en la forma que hoy en da se concibe, es el respon-sable mayoritario del consumo de petrleo, el vector principal de contaminacin y encarna un modelo que no va a ser sostenible a corto plazo.

    IV. LA VIVIENDA Y EL CONFORT. Los hbitos de vida de los ciudadanos, en especial los relacio-nados con la vivienda y el urbanismo, tienen un gran impacto en el consumo de energa, tanto en su forma elctrica como trmica.

    PPRESENTACIN

  • XIV Energa, agua, medioambiente, territorialidad y sotenibilidad

    La propuesta de soluciones, componen un segundo bloque integrado por las Partes V y VI, intenta aportar soluciones a corto/medio plazo al problema energtico, de manera que en el prximo cuarto de siglo nuestra sociedad pase de una incertidumbre a una sociedad que emplea la energa que precisa de manera limpia y sostenible:

    V. SOLUCIN A LA GENERACIN DE ELECTRICIDAD: LAS ENERGAS RENOVABLES.

    Las energas renovables devienen como la solucin para la generacin de electricidad (se demues-tra que alguna de ellas podra abastecer la demanda del pas). Como se ve a lo largo de esta parte, Espaa, que en 2007 ya gener un 23% de la electricidad a partir de fuentes renovables, tiene un gran potencial de desarrollo.

    VI. SOLUCIN A LOS CARBURANTES DE AUTOMOCIN: BIOMASA Y BIOENERGA. Los captulos de esta Parte aportan nuevas vas para la fabricacin de biocarburantes que puedan sus-tituir a los petrocarburantes, sin entrar en litigio con la alimentacin humana y el medio ambiente. Entre los diferentes recursos, los carburantes de segunda generacin y las microalgas parecen ser las mejor posicionadas, junto al ahorro de energa, para solucionar, a largo plazo, el problema de suministro de carburantes. Adems de que muchos automviles pasarn a utilizar la energa elc-trica o el hidrgeno en pilas de combustible.

    Una vez expuestos los problemas y las posibles alternativas, en el ltimo bloque, el sptimo, se pos-

    tulan y justican las soluciones:

    VII. CONCLUSIONES. ENERGAS RENOVABLES VERSUS CONVENCIONALES. Para estable-cer el nuevo modelo, se parte de un consumo elctrico, para 2040, de 424,9 TWh/ao, cifra que se justica por el aumento demogrco, el incremento especco energtico y un coeciente reductor por eciencia. El nuevo modelo energtico postula que se puede llegar al 73,2% de generacin a partir de fuentes renovables (sin tener en cuenta la hidrulica convencional, con lo que se alcanza-ra el 80% de renovables) a un costo de generacin (2,91 c/kWh) muy inferior al actual. El mode-lo postula, para 2040, mantener un 20% de generacin convencional basndose en la erradicacin de la generacin elctrica a partir del carbn, el mantenimiento de las centrales de ciclo combinado y la paulatina sustitucin de las actuales nucleares por otras de tercera generacin.

    Para facilitar la comprensin a aquellos lectores poco familiarizados con la terminologa tcnica, al principio de cada captulo aparecen unas conclusiones o puntos ms destacados, de manera que se pueda llevar a cabo una lectura rpida del libro tan solo con los resmenes iniciales.

    XAVIER ELIAS CASTELLSSANTIAGO BORDAS ALSINA

  • PPRLOGO

    Esta obra presenta la problemtica actual de la energa en Espaa y plantea una previsin de su situa-cin en el horizonte del 2040, en un contexto global. Nuestro actual modelo de desarrollo ha estado mar-cado por unos precios de la energa baratos y un crecimiento econmico que pareca no tener lmites. Sin embargo, cada vez que el precio del petrleo ha aumentado signicativamente, se ha generado una grave crisis econmica, la ltima manifestada bsicamente por los desastres nancieros en EE UU, aunque en ella subyace un acelerado modelo de crecimiento, muy singularmente el del consumo energtico

    La situacin energtica espaola es preocupante y particularmente vulnerable. Su dependencia del exterior, cercana al 80%, representa, tcnicamente, un gran riesgo, y no existe una poltica decidida para reconducirla rpidamente. La previsible futura escalada de precios de los combustibles fsiles, provocar sucesivas situaciones de inestabilidad econmica en Espaa, ms agudas que en los pases de nuestro en-torno, mucho menos dependientes. Desde la ptica de la generacin de CO2, se va tambin en la misma direccin, que es la opuesta al protocolo de Kyoto pues, en vez de disminuir la emisin de gases contami-nantes, stos crecen desmesuradamente.

    Es preciso cambiar de modelo, hay que disminuir el consumo masivo de productos de origen fsil, altamente contaminantes, en todos los sectores de consumo nal como el transporte, la industria y la edicacin, y tambin en el sector elctrico cuyo mix de generacin es insostenible a medio plazo desde cualquier punto de vista.

    Los planes energticos del gobierno para corregir la actual situacin resultan insucientes y poco de-nidos, y slo son claros cuando imponen lmites a la expansin de ciertas tecnologas, como la elica o la fotovoltaica. El Real Decreto 661/2007 sobre la generacin de energa elctrica en rgimen especial resulta confuso, ya que mezcla constantemente el origen del combustible con la tecnologa que se emplea para generar electricidad, y es poco estimulante para el desarrollo de la mayora de EE RR. En esta lnea es tambin penoso constatar que los ltimos gobiernos no han afrontado el coste real de la generacin elctrica, originando un enorme dcit tarifario del sector elctrico, que contina creciendo ao tras ao y que, a su vez, provoca que se d poca importancia a la electricidad por ser barata.

    Los espaoles, en 2007, consumieron 3,2 tep/ao (37.200 kWh/ao) de energa primaria y 5.711 kWh/ao elctricos por persona. En esta obra no se pone en cuestin si estos consumos son necesarios o no, y si resultan elevados, de hecho son inferiores a los de nuestros vecinos comunitarios. En todo cas, la obra muestra que los consumos pueden y deben optimizarse. Es evidente que la poblacin crece y que este crecimiento provocar, junto a un deseo de un mayor bienestar, tambin un aumento del consumo energ-tico que, con las actuales lneas de actuacin, resultar insostenible tcnica y econmicamente. Ya hemos

  • XVI Energa, agua, medioambiente, territorialidad y sotenibilidad

    llegado a ser, y va a ms, una sociedad totalmente electrodependiente. No obstante, se debe subrayar que la disminucin del consumo energtico especco, no est reido con el nivel de confort.

    Es preciso cambiar el modelo de generacin energtica centralizado y pasar a uno distribuido y ms ecaz, en el que tengan un importante peso las EE RR, lo que a su vez permitir una mayor autosuciencia energtica, mucho ms acorde con nuestra posicin mundial.

    Espaa rene unas caractersticas geogrcas y climticas que la hacen especialmente propensa a la produccin de EE RR. Esta obra demuestra que Espaa puede generar, en el umbral de 2040, un 70% de energa elctrica a partir de las EE RR, lo que permitira un coste de generacin competitivo. En efecto, en una central convencional el 20% del coste de la electricidad corresponde a la inversin y el 80% al com-bustible, y ste evolucionar al alza. En las EE RR la estructura de costes se invierte, por lo que a la larga sern ms favorables y estables por la poca trascendencia del combustible en los costes de explotacin y por la disminucin de la inversin al mejorar con los aos la tecnologa y la eciencia. En este recorrido es preciso aprovechar todas las posibilidades de generacin de energa y tambin cambiar los hbitos de su consumo.

    Existen muchos residuos en Espaa que actualmente van directamente a los vertederos y en cambio podran ser valorados energticamente como ya se hace en algunos pases de nuestro entorno.

    Se deber educar la gestin de la demanda energtica. No slo para evitar el consumo y equilibrar el perl de la curva del consumo diario elctrico del pas, sino tambin el nivel de calidad de la energa consumida que deber ser acorde con el tipo de energa producido y/o con el combustible utilizado.

    El transporte en Espaa consume cerca del 40% de la energa nal, que en un 98% procede de deri-vados del petrleo, y a su vez es el vector principal de contaminacin en CO2, SO2, NOx, as como en partculas, alcanzando el 80% de la contaminacin en las grandes ciudades espaolas. No se concibe pres-cindir del transporte en el estado del bienestar actual, por lo que es preciso potenciar de manera decidida un cambio radical: el transporte intermodal, la utilizacin del transporte pblico, la mejora drstica en la eciencia de los vehculos que utilizan motores de combustin interna que deben ser progresivamente sustituidos por los coches hbridos, con pila de combustible y elctricos. ste es el camino, siempre que la electricidad proceda de fuentes renovables.

    La introduccin masiva de la traccin elctrica en el automvil supone la superacin tecnolgica de importantes retos. En primer lugar, hay que ver cmo va a generarse la energa elctrica que consuman, en la que las EE RR deben jugar un rol fundamental, pues esta electricidad, lgicamente, no debe ser generada a partir de combustibles fsiles. El segundo gran desafo consiste en la mejora de la tecnologa de almacenamiento de energa elctrica y el tiempo de carga de las bateras. La tercera, quizs la ms interesante a medio plazo, puede devenir como un sistema de absorcin de la energa elctrica en horas valle, lo cual sera un complemento perfecto para contrarrestar el carcter aleatorio de produccin de las EE RR, lo que favorecera un sistema de generacin distribuida y de gestin de la demanda por su recarga nocturna, presumiblemente teleprogramada a nivel global. Adems, la implantacin de las EE RR favo-rece, a su vez, el sistema de generacin distribuido, lo que redundara en la reduccin, o casi eliminacin de las importantes prdidas en el actual sistema de distribucin.

    Los hbitos de vida de los ciudadanos, en especial los relacionados con la vivienda y el urbanismo, tambin tienen un gran impacto en el consumo de energa, tanto en su forma elctrica como trmica, de materiales y de suelo. El sector domstico consume en Espaa alrededor del 26% de la energa nal y, aunque lo realiza en menor cuanta que la media de la UE, tambin puede y debe entrar en esta dinmica de menor consumo. Aprovechando la bonanza econmica, durante muchos aos ha habido un crecimiento desmesurado que ha originado grandes despilfarros. En estos ltimos aos en Espaa se han construido tantas nuevas viviendas como en Italia, Francia, Alemania e Inglaterra juntas, y con ello ha aumentado exponencialmente el consumo. Para corregir sta y otras situaciones y disminuir el impacto produci-do de forma drstica, el Parlamento Europeo ha presentado un informe de energa cero en los edicios construidos a partir del 2019. Espaa tiene un clima particularmente favorable para que ello sea posible,

  • XVIIPrlogo

    aprovechando, especialmente, las EE RR. Se han iniciado acciones con la nueva reglamentacin, Cdigo Tcnico de la Construccin y Reglamento de Instalaciones Trmicas en los Edicios, pero se debe ir an mucho ms lejos, utilizando ms y mejores aislamientos que los que propugna la actual normativa, con la aplicacin intensiva de la arquitectura bioclimtica, la domtica, la industrializacin, etc. En este sector, por su particular consumo intensivo de materiales y suelo, se debe analizar el ciclo de vida desde el inicio de una construccin hasta su demolicin, y se debe hacer hincapi en el reciclado de los materiales, tal como se propone en este libro. Todos estos aspectos son elementos bsicos para un mejor aprovecha-miento energtico y para conseguir el confort de una forma natural. En este sentido, desde el ao 2000, e incluso desde antes, se ha desaprovechado una gran oportunidad.

    En conclusin, en esta obra los autores presentan una perspectiva crtica de la situacin de la energa en la Espaa actual, con muchos de sus problemas y vas de solucin actuales o futuros, junto a una previsin para el 2040 basada en las EE RR, que permitira el progreso, una mayor competitividad internacional y un modelo de bienestar sostenible.

    Girona, febrero de 2011

    JOSEP-MARA TERRICABRAS

  • IEL MODELO ENERGTICO ESPAOL

    Todos los expertos en cambio climtico sealan las 450 ppm de CO2 como la lnea roja de emi-siones. Rebasar este lmite llevar incorporado un aumento de 2C en la temperatura media del Planeta. Para evitar esta catstrofe hay que cambiar, en pocos aos y de forma radical, los modelos de produccin y uso de energa.

    La previsin de consumo energtico mundial, en los albores del 2030, es que aumente en un 60%. China, segundo consumidor despus de EE UU, le sobrepasar aumentando su consumo cerca de cuatro veces. Esta situacin resulta insostenible, las reservas de combustibles fsiles son limita-das y sus precios inexorablemente aumentarn.

    La actual estructura energtica espaola est basada en el petrleo. En un futuro inmediato se prev un aumento muy importante de las energas renovables, un gran aumento en consumo de gas, y mantenimiento de la nuclear y del consumo de carbn.

    La distancia entre los centros de generacin de electricidad y los puntos de consumo constituye un factor de insostenibilidad por prdidas en lneas de transporte. La potencia de generacin elctri-ca ha crecido signicativamente, en cambio la longitud de lneas de transporte apenas han variado en los ltimos aos.

    La curva de demanda elctrica, que puede seguirse en tiempo real, maniesta importantes uc-tuaciones, diarias, semanales, mensuales, y siempre con una evolucin creciente. Estas provocan una gran uctuacin en su precio que puede variar hasta multiplicarse por cinco en un mismo da. Las puntas de consumo, que hay que cubrir, dan lugar a que haya una importante potencia instalada que funciona solamente unas pocas horas al ao. La gestin busca inuir en el consumidor para que modique su patrn de demanda con la nalidad de lograr un ahorro neto de energa, un uso ms eciente y racional de las instalaciones. En Espaa existe un importante dcit tarifario en la gene-racin de electricidad, ya que por ella el abonado paga mucho menos de lo que realmente cuesta.

    En un aspecto global, segn el ndice de sostenibilidad huella ecolgica, en Espaa se consu-me cerca de tres veces la capacidad de recarga de los recursos naturales.

    Ante estas expectativas, se propugna el ahorro, la puesta en marcha de sistemas de recuperacin, cogeneracin y de valorizacin de residuos, junto con la implantacin de energas renovables. Den-tro de la valorizacin se estudian los sistemas de gasicacin, pirlisis e incineracin, y solo utilizar como ltima opcin los vertederos, por ser el sistema ms contaminante y de nulo aprovechamiento energtico.

  • 1. Introduccin. Previsin de consumo energtico ................. 3 Introduccin .................................................................... 4 Aspectos relacionados con el cambio climtico ............. 9 Conceptos bsicos sobre energa .................................. 13

    2. El consumo energtico de la Unin Europea y Espaa a medio plazo. ................................................................... 29 Introduccin .................................................................. 30 Petrleo y modelo econmico ....................................... 30 El precio del petrleo .................................................... 34 La demanda energtica en la Unin Europea y su proyeccin ..................................................................... 36 Proyeccin de la oferta energtica en la Unin Europea .............................................................. 38 Estructura energtica en Espaa ................................... 39 La evolucin de la potencia elctrica instalada en Espaa ........................................................................... 42

    3. Produccin y abastecimiento de combustible en Espaa ............................................................................... 45 Introduccin .................................................................. 46 Combustibles fsiles y autoabastecimiento de energa en Espaa ...................................................................... 46 Abastecimiento energtico espaol de petrleo y gas .. 50 Stocks de seguridad de productos petrolferos y Gas Natural .......................................................................... 52

    4. La distribucin de la energa en Espaa. Infraestructuras energticas espaolas. ....................................................... 55 Introduccin .................................................................. 56 Infraestructura elctrica. Distribucin de la energa elctrica ......................................................................... 56 Infraestructuras para el gas ........................................... 64 Infraestructuras para el petrleo ................................... 67

    5. Curvas de demanda y consumo elctrico. ........................ 71 Introduccin .................................................................. 72

    Curvas de demanda elctrica ........................................ 72 Gestin de la demanda elctrica ................................... 78 Legislacin vigente para la regulacin de la demanda . 80 Perspectiva europea sobre la seguridad de suministro y la demanda ................................................................. 82

    6. Coste de generacin de la electricidad. Coste real de generacin ......................................................................... 83 Introduccin .................................................................. 84 El coste de generacin y la tarifa de energa elctrica en Espaa ...................................................................... 86 El dcit tarifario .......................................................... 87

    7. El ahorro de energa .......................................................... 89 Introduccin .................................................................. 90 Objetivo para una correcta gestn de la energa .......... 92 Rendimiento tcnico y ahorro de energa ..................... 97 Concepto de energa primaria y energa nal ............... 98

    8. Los combustibles fsiles y el impacto ambiental ........... 101 Introduccin ................................................................ 102 Impacto ambiental sobre el medio natural .................. 102 Fuentes de energa de bajo impacto ............................ 103 La sostenibilidad de la generacin de electricidad ..... 103

    9. Nocin de sostenibilidad energtica ................................111 Introduccin ................................................................ 112 La gestin de la biomasa desde el punto de vista energtico .................................................................... 114

    La ecacia de las conversiones energticas ................ 120 El ciclo cerrado de la energa ...................................... 122 Posicionamiento de la UE hacia la sostenibilidad energtica .................................................................... 123

    BIBLIOGRAFA. PARTE I

    ndice I:EL MODELO ENERGTICO ESPAOL

  • EL MODELO ENERGTICO ACTUAL SER INSOSTENIBLE A CORTO PLAZO

    Los pases emergentes, bajo el acrnimo de BRIC (Brasil, Rusia, India y China), alterarn los parmetros de energa establecidos hasta hoy.

    Sin un cambio radical de modelo energtico, la previsin en 2030 es que el consumo mundial de energa sea un 60% superior al actual, con el petrleo y el carbn como fuentes de mayor consumo, y el gas natural el de mayor crecimiento, con un renovado crecimiento para la nuclear y ligero incremento de las renovables en valor absoluto, aunque con una ligera disminucin re-lativa en el mix de todas las energas.

    El ritmo de consumo energtico no es sostenible y los combustibles fsiles tienen un techo de produccin, y unas reservas estimadas probadas entre 50 y 60 aos para el petrleo y gas natural, y de unos 190 aos para el carbn.

    En la primera dcada del siglo XXI, EE UU consuma el 25% de la energa mundial con algo ms del 4% de la poblacin mundial.

    En 2030 los pases con mayor consumo de energa sern China (que triplicar el actual), EE UU (aumento del 70%) e India (casi cuadruplicar).

    La previsin del PIB y consumo de energa primaria (tep per cpita) para Espaa es de un au-mento anual de alrededor del 2% y 0,5% respectivamente. Valores similares tendrn los pases de nuestro entorno.

    En conjunto, el consumo de energa mundial entre 2005 y 2030 puede representar un incremento del 60%.

    La Agencia Internacional de la Energa pone de maniesto que el nico escenario sostenible (para que la temperatura del Planeta no aumente 2C: lo que los cientcos denominan lnea roja sin retorno) para 2020 es que, en este ao, la emisin de CO2-equiv, no supere las 450 ppm (en 2008, super las 380 ppm).

    En su resumen anual (2008) y recomendaciones, la AIE postula el uso de energas renovables para tomar el relevo a la generacin de electricidad a partir de combustibles fsiles.

    La intensidad energtica de Espaa, como pas desarrollado, es mala. La intensidad de emisin de CO2 tambin lo es. La nica alternativa son las EE RR.

    En las mquinas trmicas, corazn de los sistemas de conversin energtico a base de combusti-bles fsiles, el ciclo de Carnot permite determinar el mximo rendimiento, o lo que es lo mismo, la mxima conversin del calor disponible en trabajo til.

    1Introduccin. Previsin del

    consumo energtico

  • 4 Energa, agua, medioambiente, territorialidad y sotenibilidad

    La planicacin del incremento/decremento de la demanda energtica es difcil ya que depende de numerosos factores relacionados, principalmente con la demografa y la actividad econmica. Segn la patronal elctrica UNESA (Asociacin Espaola de la Industria Elctrica), como consecuencia de la crisis econmica, en Espaa, en 2009, ha habido una cada del consumo del 4,3% (255.721 MWh). Se trata de la tercera reduccin en consumo desde 1959. Los otros aos fueron 1993 (0,3%) y 2008 (0,2%). Por otro lado, el aumento de la generacin elica, que en la madrugada del 23 de diciembre de 2009, lleg a cubrir el 54,1% de la demanda na-

    cional y la produccin hidrulica debido al desem-balse, ha obligado a las trmicas convencionales a trabajar en mnimos tcnicos.

    En los albores del siglo XXI nadie sabe cmo va a evolucionar la demanda y, sobre todo, la ofer-ta de combustibles y de energa en el horizonte de 2050. La Tabla 1.1 reproduce el producto interior bruto (PIB, en millones de euros, que el Fondo Monetario Internacional estima para 2007), la poblacin y el consumo de energa segn la EIA (Energy Information Administration, del gobierno de los Estados Unidos, con datos referidos al ao 2004 y actualizados a 2006).

    Introduccin

    Pas PIB (millones ) Habitantes x1.000 /habitante tep x 1.000 tep/habitanteEstados Unidos 9.150.899 290.000 31.555 2.517.879 8,68China 7.842.119 1.300.000 6.032 1.861.076 1,43India 3.193.606 1.050.000 3.042 445.727 0,42Japn 2.936.541 130.000 22.589 574.551 4,42Alemania 1.834.101 83.500 21.965 368.872 4,42Reino Unido 1.534.381 60.000 25.573 247.158 4,12Francia 1.378.452 62.000 22.233 288.587 4,65Brasil 1.360.739 180.000 7.560 242.947 1,35Italia 1.276.008 58.000 22.000 203.461 3,51Rusia 1.289.689 145.000 8.894 766.186 5,28Espaa 885.274 45.200 19.586 164.150 3,63Mxico 844.418 105.000 8.042 185.507 1,77Corea del Sur 844.926 48.000 17.603 238.207 4,96Canad 822.344 30.000 27.411 351.751 11,73Indonesia 711.957 240.000 2.966 104.617 0,44Taiwan 506.718 25.000 20.269 115.208 4,61Australia 493.642 17.000 29.038 141.482 8,32Turqua 488.230 75.000 6.510 98.515 1,31Argentina 466.928 37.000 12.620 79.478 2,15Sudfrica 435.965 44.000 9.908 130.539 2,97Totales/medias 38.296.937 4.024.700 9.515 9.125.899 2,27

    Tabla 1.1. PIB por habitante (2007) y consumo de energa (2006) por habitante.

    El ciclo OCR (ciclo orgnico de Rankine) tiene una gran aplicacin en los procesos de energas renovables, en especial con la biomasa y las energas ocenicas.

  • 5Introduccin. Previsin del consumo energtico

    De la tabla anterior vale la pena destacar unos comentarios:

    Los veinte primeros pases del mundo orde-nados por su PIB representan el 62% de la poblacin mundial.

    De estos pases, once sobrepasan la me-dia de 15.000 /habitante y ao de PIB, mientras que los nueve restantes no alcan-zan los 8.000 /ao.

    En trminos absolutos de consumo de ener-ga, EE UU consume casi la cuarta parte de la energa mundial. Los siguientes consu-midores, a bastante distancia, son China y Rusia, con un consumo del 74% y del 30% del que tiene EE UU.

    En el consumo de energa per cpita, Ca-nad, EE UU y Australia son los mayores consumidores, seguidos de Rusia y el gru-po de Corea del Sur, Francia, Taiwn, Japn y Alemania, estos con un consumo muy si-milar. El consumo per cpita de Canad es casi el triple y EE UU el doble del que tiene el grupo encabezado por Corea del Sur. EE UU consume per cpita seis veces ms que China, y ms de veinte veces que la India.

    EE UU, Australia y Canad son los pa-ses con mayor PIB per cpita y tambin el de mayor consumo per cpita de energa, aunque no en el mismo orden. En general a mayor PIB per cpita corresponde mayor consumo per cpita. Fuera de esta regla es-tn, por ejemplo, el Reino Unido con un alto PIB per cpita y un relativamente bajo consumo de energa per cpita, y en sentido contrario Rusia.

    Espaa est en el onceavo lugar en PIB y en el consumo de energa per cpita, en el dcimo del PIB per cpita y el treceavo en consumo absoluto de energa.

    Si se quiere tener una aproximacin de cul va a ser el consumo de energa en las prximas d-cadas habr que estar bien atentos a aquellas na-ciones que, hoy en da, se hallan por debajo de los 10.000 /habitante y tienen una importante demo-grafa y una economa en desarrollo, como China, India, Brasil, Mxico, Indonesia y Turqua. En esta lnea, la Tabla 1.2 hace una aproximacin a casi 25 aos teniendo en cuenta la informacin de la EIA,

    que a grandes rasgos, puede simplicarse en los siguientes criterios:

    Los pases que tienen un PIB superior a 15.000 /habitante y ao, en los prximos 25 aos experimentarn un crecimiento demogrco bajo que no llegar al 1,1% anual (Europa el 0,2%, Japn decrecer el 0,13%...), aunque EE UU y Canad estarn ligeramente por encima del 1,2%, mientras que el incremento de la actividad econmi-ca (PIB) ser del 1,5% y la demanda ener-gtica (tep) ser, en el mismo periodo, del 1,1% al 1,3% anual, con excepciones para Europa, al 0,7%, y Japn, al 0,3%. En el caso de Espaa se ha realizado una impor-tante correccin debido a la inmigracin, tanto europea como de otros continentes, con un incremento demogrco del 0,65% acumulado anual, lo que arrastrar tambin al consumo. Estos valores, como se co-mentar ms adelante, no estn lejos de la valoracin del INE (Instituto Nacional de Estadstica). Por esta misma razn debi-do a la inmigracin, se ha hecho una co-rreccin, aunque en menor cuanta, en los casos de Alemania, Francia, Italia y Reino Unido.

    Los pases que tienen un PIB inferior a 15.000 /habitante y ao, en los prximos 25 aos experimentarn un crecimiento demogrco anual importante del 1,3% al 1,7%, aunque con correcciones para Chi-na, con un 1,1%, y Rusia que decrecer al 0,5%, mientras que el incremento de la ac-tividad econmica (PIB) ser, en el mismo periodo, del 5,3% anual y la demanda ener-gtica (tep) estar entre el 1,6% de Rusia y el 4,2% de China.

    Los resultados que pueden extrapolarse de la Tabla 1.2 parecen ser concluyentes:

    El primer comentario, que hoy da ya se est empezando a vislumbrar, es el impor-tantsimo consumo absoluto de China, que sobrepasar el doble de su consumo actual y casi duplicar el consumo actual de EE UU adelantndolo en el ranking. Aunque a gran distancia, Rusia e India tambin sern gran-

  • 6 Energa, agua, medioambiente, territorialidad y sotenibilidad

    des consumidores. En conjunto, el consumo de energa mundial entre 2005 y 2030 puede signicar un incremento de cerca del 60%.

    Canad continuar con el mayor consumo per cpita, seguido de un grupo con con-sumos parecidos formado por Australia, EE UU y Rusia. Las potencias europeas y Japn tendrn un consumo per cpita mo-derado.

    China tendr un PIB de casi el doble de EE UU, que pasar a segundo lugar, e India ser la tercera.

    Rusia casi cuadriplicar su PIB per cpita hasta valores tpicamente europeos. China, Brasil y Mxico se acercarn a triplicar y aunque estarn en valores medios, pasarn a la cabecera de los pases con el PIB ms alto.

    La Agencia Internacional de la Energa (AIE), en su informe de 2007, incorpora un apartado des-tinado a analizar la capacidad de produccin de

    petrleo hasta 2015. La Tabla 1.3 muestra las con-clusiones.

    El informe de la AIE publicado en 2008 rebaja, debido a la crisis econmica, el crecimiento de la demanda mundial de petrleo. As, prev una tasa de crecimiento del 1% anual hasta alcanzar los 106 millones de barriles en 2030.

    Como indica la Tabla 1.3, de 2005 a 2015 de-bern aportarse 11,7 millones de barriles diarios (mb/d). Los miembros de la OPEP han puesto en marcha, o estn a punto de hacerlo, 90 megapro-yectos que en 2015 aportaran estos 11,7 mb/d. Adems, con el concurso de los pases que no pertenecen a la OPEP, la oferta se podra alargar hasta los 13,6 mb/d. Sin embargo la AIE calcu-la que el promedio mundial de declive de los campos en explotacin se sita en torno al 3,7% anual. Esta tasa tan elevada reeja el hecho de que el 70% de la produccin mundial de crudo proviene de campos con ms de treinta aos de historia a sus espaldas.

    Tabla 1.2. PIB por habitante y consumo por habitante previstos para 2030.

    Pas PIB(millones ) Habitantes x1.000 /habitante tep tep/habitanteEstados Unidos 13.081.236 381.350 34.302 3.311.011 8,68China 27.084.096 1.634.100 16.574 4.782.966 2,93India 11.029.663 1.478.400 7.461 879.420 0,59Japn 4.197.794 126.100 33.289 615.344 4,88Alemania 2.621.853 91.516 28.649 452.974 4,95Reino Unido 2.193.402 65.760 33.355 303.511 4,62Francia 1.970.501 67.952 28.998 354.385 5,22Brasil 4.699.544 253.440 18.543 428.559 1,69Italia 1.824.057 63.568 28.695 249.850 3,93Rusia 4.454.161 129.195 34.476 1.103.308 8,54Espaa 1.265.502 52.810 24.121 211.097 4,02Mxico 2.916.342 141.278 20.643 327.235 2,32Corea del Sur 1.207.824 61.728 19.567 392.803 6,36Canad 1.175.543 39.450 29.798 473.456 12,00Indonesia 2.458.865 353.666 6.953 198.773 0,56Taiwan 724.355 32.153 22.529 184.332 5,73Australia 705.663 21.369 33.023 186.049 8,71Turqua 1.686.186 110.52 15.257 172.402 1,56Argentina 1.612.615 54.523 29.577 151.008 2,77Sudfrica 1.505.679 64.839 23.222 234.969 3,62Totales/medias 88.414.879 5.223.370 16.927 15.013.454 2,87

  • 7Introduccin. Previsin del consumo energtico

    Tabla 1.3. Evolucin de la demanda de petrleo en el mundo hasta 2015.

    PREVISIONES EN LA DEMANDA DE PETRLEO

    Millones de barriles diarios (mb/d) 84,7 mb/dCrecimiento de la demanda mundial 1,3%Crecimiento medio mundial del PIB 4,2%Previsin para 2015 96,4 mb/dAumento previsto 2000/2015 11,7 mb/d

    La conclusin de la AIE es que, para mantener el ritmo de demanda previsto teniendo en cuenta el declive de los campos, se debera alcanzar una oferta de 37,5 mb/d, de lo contrario, el precio cre-cera de forma exponencial.

    El petrleo se enfrenta a un escenario marcado por las tensiones en los prximos aos, y el incre-mento de la oferta no ser suciente para paliar el fuerte aumento de la demanda por la pujanza de China, India, y de los dems pases emergentes. La actual capacidad de produccin excedentaria se ver reducida a niveles mnimos en torno a 2012, segn las estimaciones de AIE.

    Segn el informe estadstico de energa de Bri-tish Petroleum en 2007, una de la referencias de la industria, el mundo tiene an reservas probadas sucientes, 1.317.600 millones de barriles, para abastecer cerca de 50 aos a las tasas de consu-mo actuales. La incgnita es a qu precio. Las mayores reservas se encuentran en Oriente Medio, Amrica del Norte y en mucho menor porcentaje en frica. Las reservas de petrleo en Europa es-tn principalmente representadas por los pases del Este y sobre todo por los pases que pertenecieron a la extinta URSS.

    El gas natural ser el recurso energtico que ex-perimente mayor aumento en el consumo, segn EIA en su informe de 2007. Se prev un incremen-to promedio de 2,3% por ao de 2002 a 2025 (las previsiones para el crudo es del 1,9% y el 2% para el consumo de carbn). Durante el periodo 2004 a 2030 se proyecta un aumento en el consumo de gas del 63%, pasando de 2,8 trillones de metros cbi-cos a 4,6 trillones de metros cbicos, un aumento que solo puede ser comparable al que se prev para el carbn.

    La previsin es que el gas natural contine como una importante fuente de suministro para la generacin de energa elctrica. Esta eleccin se

    debe a que presenta una reduccin en emisiones gaseosas, en comparacin con el fuelleo o el car-bn. Casi el 50% del incremento de gas natural demandado entre 2002 y 2025 ir a parar a la pro-duccin de electricidad.

    Las reservas de gas natural se estiman en 175 trillones de metros cbicos y se encuentran de nuevo en los pases de Oriente Medio, seguido por Europa del Este y los antiguos pases de la Unin Sovitica.

    En el ao 2004, el carbn supuso el 26% del consumo energtico mundial. Dos tercios de esta cantidad fueron destinados a la produccin de elec-tricidad. Las previsiones indican que para el ao 2030 la importancia relativa del carbn aumentar hasta el 28% y su participacin en la produccin de energa elctrica a escala mundial aumentar del 43 al 45%. As, el consumo de carbn experimen-tar un crecimiento del 74% para el periodo entre 2004 y 2030, pasando de 114.4 cuatrillones de Btu (114,41012 Btu), 2,88 billones de tep (2,88109 tep) en 2004 a 5,02 billones de tep (5,02109 tep). Hasta el ao 2015 el incremento medio del consumo ser del 2,6%, crecimiento que se ralentizar hasta el 1,8% en el periodo 2015-2030. Los pases ajenos a la OCDE son los responsables del 85% del incre-mento, ya que en las economas avanzadas el car-bn continuar siendo sustituido por el gas natural y las energas renovables.

    Aunque en la actualidad el carbn es la segunda fuente emisora de dixido de carbono por detrs del petrleo, se espera que para 2010 ya sea la pri-mera; crecer hasta alcanzar el 43% de las emisio-nes en 2030, frente al 36% del petrleo o el 21% del gas natural.

    Las principales reservas de carbn, unos 997.748 millones de toneladas, se encuentran en Asia y Oceana con el 32%, Amrica del Norte con

  • 8 Energa, agua, medioambiente, territorialidad y sotenibilidad

    el 28% y Europa del Este y antiguos pases de la Unin Sovitica con otro 28%. Una relacin de re-servas a junio de 2007 y por pases puede encon-trarse en www.eia.doe.gov/emeu/international/contents.html. Se estima que hay reservas para unos 190 aos.

    Las perspectivas del futuro de la energa nu-clear han mejorado debido a la fuerte subida en los precios de los combustibles fsiles y a la entrada en vigor del Protocolo de Kyoto. Se prev que la generacin elctrica a partir de energa nuclear se incremente a una tasa media del 1,3% anual desde 2004 a 2030. Se pasar de 2.619 billones de kWh a 3.619 billones. Esto contrasta con previsiones anteriores que vaticinaban un descenso de la im-portancia de la nuclear, ya que se tena en cuenta el desmantelamiento de muchas de las actuales insta-laciones. Sin embargo, la incidencia de los efectos derivados de la aplicacin del Protocolo de Kyoto hace prever que, lejos de proceder a un desmante-lamiento, se va a alargar la vida til de las centra-les nucleares.

    En los mercados emergentes el consumo de electricidad a partir de la energa nuclear aumen-tar en un 4,9% al ao, ente 2002 y 2025. En Asia, China, India y Corea del Sur es donde se espera el mayor incremento en instalaciones nucleares.

    La demanda de electricidad, de acuerdo con las previsiones realizadas en 2007, crecer un 2,4% anual, de los 16.424 billones de KWh a los 30.364 billones. La mayor parte de este crecimiento, como en el caso del carbn, se debe a las necesidades de las economas emergentes fuera de la OCDE. Para el ao 2030 se prev que aquellas generen ms electricidad que los pases de la OCDE, y con una demanda hasta tres veces mayor.

    En cuanto a las fuentes de produccin de elec-tricidad, se espera que el carbn siga siendo la principal materia prima utilizada, incluso en 2030, a pesar del crecimiento del gas natural. La genera-cin de electricidad a partir del petrleo crecer a un ritmo menor en los pases de la OCDE debido al incremento del precio del crudo, mientras que en las economas menos desarrolladas llegar in-cluso a descender a un ritmo del 0,3% anual. Tan solo en Oriente Medio, donde las reservas son muy abundantes, se continuar usando el petrleo como fuente fundamental de provisin de electricidad.

    La hidroelectricidad y las energas renovables continuarn creciendo a razn de 1,7% anual. Las renovables se beneciarn de los altos precios de los combustibles fsiles, y por ser energas poco contaminantes. Son muchos los gobiernos que estn llevando a cabo polticas de fomento de las energas renovables, incluso en situaciones en las que no podran competir con los combustibles f-siles debido a su rentabilidad. Sin embargo, segn Annual Energy Outlook 2006, prevean que las energas renovables perderan importancia relativa en la generacin de electricidad a escala mundial: del 19% de 2004 al 16% de 2030, debido al mayor aumento en el uso del carbn y del gas natural. No obstante, el informe solo recoge las renova-bles controladas comercialmente, y no otros usos no comerciales (por ejemplo, el biocombustible usado en las economas ms primitivas) que pro-porcionan energa a 2.500 millones de personas en todo el mundo. Adems el AIE, en la edicin de la Annual Energy Outlook 2008, estima que las fuen-tes de energa renovables aumentarn un 23% ms rpido de lo que se haba previsto entre esta fecha y 2030. As, las perspectivas en energas renova-bles prevn que se siten en 12,2 cuatrillones de BTU de energa en 2030, en comparacin con los 9,9 de las previsiones anteriores.

    La ONU, el Banco Mundial, el Fondo Mone-tario Internacional y la IAE ponen en duda la via-bilidad econmica, a medio plazo, de la industria del biofuel, como alternativa al petrleo. En 2012 supondr solo el 2% del consumo mundial de car-burantes, a pesar de su progresin para vehculos en Europa y EE UU.

    Por otra parte, hoy en da resulta imposible ha-blar de energa sin citar sus mltiples interacciones con el medio ambiente. Es por este motivo que es imprescindible llevar a cabo una introduccin so-bre el comportamiento de los denominados com-bustibles convencionales que, desde el punto de vista de su combustin, poco dieren de las diver-sas biomasas, sean residuales o no.

    Los procesos de combustin de combustibles pueden dar lugar a la generacin de sustancias contaminantes. Por esta razn, actualmente no es posible separar el concepto de generacin de ener-ga y el de la conservacin del medio ambiente.

  • 9Introduccin. Previsin del consumo energtico

    Aspectos relacionados con el cambio climtico

    Hoy en da nadie niega la evidencia del Cam-bio Climtico, como la comunidad cientca in-ternacional viene advirtiendo desde hace muchos aos y todo el mundo est de acuerdo en que hay que estabilizar el nivel de CO2 en la atmsfera y reducir las emisiones totales para 2050 a ms de la mitad como mnimo. La Agencia Internacional de la Energa, en octubre de 2009, ha editado un documento (How the energy sector can deliver on a climate agreement in Copenhagen) donde la comisin de expertos energticos postula la futura poltica de suministro de energa sobre la cantidad de CO2 mxima que el planeta podr soportar en un futuro inmediato, lo que se denomina Escena-rio 450, es decir: que poltica energtica debe ha-cerse para llegar a 2020 con una concentracin en la atmsfera de 450 ppm de CO2 equivalente, de manera que la temperatura, este ao, no sobrepa-se en 2 C la actual. Hay que decir que la apuesta es muy arriesgada puesto que la concentracin de CO2, en 2007, era de 384 ppm.

    A falta de datos concretos para Espaa, se trans-criben las recomendaciones para la UE:

    20% de reduccin de las emisiones de CO2-equv para 2020 (en relacin a 2007).

    Para lograr este objetivo, la generacin de energa que emite CO2-equv procedente de los transportes, debe descender un 37%, con respecto 2007.

    Debe alcanzarse una reduccin del 17% en las emisiones procedentes de la industria y un 7% por lo que hace referencia a la vivienda.

    Para ello es preciso invertir, aproximadamen-te, 45109 , en tecnologas de baja emisin de carbono y eciencia energtica hasta 2020.

    La Figura 1.1, muestra los macrodatos de la UE relativa a la emisin de CO2-equv en Gt/ao.

    Los datos de 2020 hacen referencia a lo que acontecera si no se toman medidas especiales para la contencin de emisiones (en este escenario se rebasaran los 450 CO2-equv). Precisamente el gr-co pone en evidencia el peso mayoritario, de la emisin de CO2-equv procedente de la generacin de electricidad.

    De manera similar, la Tabla 1.4 pone de ma-niesto los principales parmetros para lograr los mismos objetivos.

    La Figura 1.2 reproduce las recomendaciones aparecidas en el informe How the energy sector can deliver on a climate agreement in Copenha-

    Figura 1.1. Previsin de emisin de CO2-equv para la UE.

  • 10 Energa, agua, medioambiente, territorialidad y sotenibilidad

    gen, sobre la capacidad de generacin de electri-cidad para lograr el escenario de emisiones de 450 CO2-equv.

    De la Figura 1.2 cabe destacar:

    Que las centrales con captacin y secuestro de CO2 van a jugar un papel importante a par-tir de 2010.

    En 2007 la potencia total, en la UE, era de 725 GW, con un 30% de renovables, mien-tras que en 2030 hay que alcanzar los 1.140 GW pero habiendo doblado la importancia de las EE RR.

    Que la previsin para 2030 muestra que la generacin de electricidad a partir de fuen-tes renovables deber ser del 58%, en toda

    Figura 1.2. Capacidad de generacin de electricidad, en GW, en la UE para el escenario de emisin de 450 CO2-equv.

    Tabla 1.4. Indicadores de la UE.

    1990 2007 2020 2020 (450) 2030 2030 (450)Poblacin (millones) 473 496 508 508 508 508% poblacin mundial 9% 7% 7% 7% 6% 6%% sobre PIB mundial 27% 22% 18% 18% 16% 16%% sobre CO2 mundial 19% 13% 10% 10% 9% 9%t CO2 per cpita 8,5 7,8 7,0 6,1 6,9 4,5Demanda energa (tep/habitante) 3,5 3,5 3,4 3,3 3,5 3,3Intensidad CO2 (mundo 2007=100) 90 60 46 40 39 25Gt CO2 acumulado desde 1890 211 276 322 320 358 346% CO2 acumulado mundial 27% 23% 20% 20% 18% 18%Intensidad CO2 (g/kWh) 581 436 348 275 312 118Intensidad vehculos (2007=100) - 100 74 63 65 46

  • 11Introduccin. Previsin del consumo energtico

    la UE, si se pretende alcanzar el escenario de 450 CO2-equv.

    INTENSIDAD ENERGTICA Y EFICIENCIA

    La Figura 1.3 muestra, en valores de 2006, la rela-cin entre la emisin global de CO2 y la emisin per cpita. Si bien, desde hace aos, la China es el princi-pal emisor en valores absolutos, el primer pas emisor por habitante es Australia seguido de EE UU.

    Figura 1.3. Emisiones totales de CO2 y emisiones per c-pita.

    Las emisiones deberan compararse en un contex-to de desarrollo. As, teniendo en cuenta que la UE, Australia, Canad y EE UU tienen un grado de desa-rrollo similar, tambin lo deberan ser las emisiones. No obstante, los pases europeos se hallan entre 8 y 11 t CO2/habitante y ao, mientras Australia, Canad o EE UU estn en valores cercanos al doble.

    Tan importante es este factor que existen es-tadsticas, como la representada en la Figura 1.4, que correlacionan la emisin de CO2 por unidad monetaria del PIB.

    Figura 1.4. Intensidad energtica.

    La intensidad energtica propiamente dicha re-laciona la energa primaria con el PIB, no obstante es interesante representar la intensidad de emisin de CO2 en relacin al PIB. De la Figura 1.4 se des-prende que los grandes pases ms inecientes son Rusia y China, mientras que los pases desarrollados se muestras notablemente ms ecientes. Dentro de ellos, como muestra la gura, Alemania tiene una in-tensidad de emisin menor que Espaa o EE UU, es decir es, energticamente, ms eciente. En el caso de Espaa, estos parmetros han ido empeorando ya que las emisiones de CO2 han aumentado mucho.

    ALGUNOS MOTIVOS DEL FRACASO DE LA CUMBRE DE COPENHAGUE

    Si como todo el mundo est de acuerdo, la ma-siva emisin de CO2 comienza con la revolucin industrial, convendra remontarse a esta poca para contabilizar en este periodo, 150 aos, la impor-tancia en la contribucin a la generacin de gases de efecto invernadero, de los principales actores:

    EE UU: 29,3%UE: 26,5%

    Rusia: 8,1%China: 7,6%India: 2,2%Resto: 26,1%

    Es lgico, que tanto los pases emergentes como los que se hallan en vas de desarrollo, exijan a los que hasta hoy han emitido ms del 50% del CO2, unas compensaciones tecnolgicas y econmicas para que puedan realizar su desarrollo sin deterio-rar ms el medio ambiente y mermar los recursos materiales y energticos. La respuesta de los pa-ses que integran la OCDE (y de la China por otro lado) ha sido muy decepcionarte, mxime si se ob-serva, como muestra la Tabla 1.5, que los hbitos de consumo apenas se han alterado.

    En el caso del estado espaol, como reeja la Tabla 1.6, los valores se hallan encuadrados en la media de los pases de la OCDE.

    Solo comparando las dos primeras las se apre-cia la diferencia abismal existente entre la media del mundo y los pases de la OCDE. A ttulo de resumen se compara, en las dos ltimas las, las veces de ms que la OCDE o Espaa superan la media mundial en parmetros de consumo.

  • 12 Energa, agua, medioambiente, territorialidad y sotenibilidad

    El dixido de carbono (CO2) es uno de los gases de efecto invernadero que permanecen durante ms tiempo en la atmsfera. Las emisiones de CO2 au-mentarn de 26,9 billones de toneladas en 2004 a 33,9 en 2015 y a 42,9 en 2030, con un promedio de crecimiento del 1,8% entre 2004 y 2030. El incre-mento ser menor en los pases de la OCDE (0,8%) que en los no pertenecientes (2,6%). Entre los prime-

    ros, ser Mxico el que experimente un crecimien-to mayor (2,3%), mientras que el mayor aumento a escala mundial lo ostentar China, cuyas emisiones crecern un 3,4% debido a su fuerte dependencia de los combustibles fsiles, especialmente el carbn. De hecho, en 2010 ya superar a Estados Unidos como principal emisor, y para el ao 2030 ya superar el vo-lumen emitido por los norteamericanos en un 41%.

    Tabla 1.5. Principales parmetros mundiales.

    Pas/rea Habitantes x1000 tep x 1000 Consumo elc TWh/ao Emision Mt CO2Mundo 6.609.000 12.029.000 18.187 28.962OCDE 1.185.000 5.497.000 10.048 13.001Asia (- China) 2.148.000 1.377.000 1.514 2.898frica 958.000 629.000 554 882Latinoamrica 461.000 550.000 847 1.016Alemania 83.500 368.872 591 798Argentina 37.000 79.478 105 163Australia 17.000 141.482 237 396Brasil 180.000 242.947 413 347Canad 30.000 351.751 560 573China 1.300.000 1.861.076 3.114 6.071Espaa 45.200 164.150 283 345Estados Unidos 290.000 2.517.879 4.113 5.769Francia 62.000 288.587 481 369India 1.050.000 445.727 610 1.324Indonesia 240.000 104.617 127 377Japn 130.000 574.551 1.083 1.236Mxico 105.000 185.507 214 438Reino Unido 60.000 247.158 373 523Rusia 145.000 766.186 898 1.587

    Tabla 1.6. Principales consumos unitarios.

    Pas/rea tep/habitante kWh/ao y habitante t CO2/habitante y aoMundo 1,82 2.752 4,38OCDE 4,64 8.479 10,97Asia (- China) 0,64 705 1,35frica 0,66 578 0,92Latinoamrica 1,19 1.837 2,20Alemania 4,42 7.078 9,56Argentina 2,15 2.838 4,41Australia 8,32 13.941 23,29Brasil 1,35 2.294 1,93Canad 1,73 18.667 19,10China 1,43 2.395 4,67Espaa 3,63 6.261 7,63Estados Unidos 8,68 14.183 19,89Francia 4,65 7.758 5,95India 0,42 581 1,26Indonesia 0,44 529 1,57Japn 4,42 8.331 9,51Mxico 1,77 2.038 4,17Reino Unido 4,12 6.217 8,72Rusia 5,28 6.193 10,94OCDE/Mundo 2,5 3,1 2,5Espaa/Mundo 2,0 2,3 1,7

  • 13Introduccin. Previsin del consumo energtico

    Conceptos bsicos sobre energa

    Como introduccin a la generacin de energa a partir de recursos renovables y no renovables, es aconsejable realizar un breve repaso a los princi-pios y conceptos asociados a la energa y su trans-formacin.

    Es conocido desde hace siglos, en especial desde Leibnitz, que en los fenmenos puramente mecnicos la energa mecnica se conserva. Sin embargo, la relacin entre la energa mecnica y la trmica no se consolid hasta 1840, por James Joule. Este observ cmo la energa mecnica se transformaba en calor, existiendo siempre la mis-ma relacin cuantitativa entre la energa mecnica que entregaba y la cantidad de calor que apare-ca. Esta relacin es conocida como equivalente

    mecnico de calor, y demostr que el calor no es ms que una de las formas en que la energa de un sistema se transere. As, la energa puede inter-cambiarse en forma de calor o de trabajo y ambas tienen las mismas unidades que tiene la energa

    Esta y otras experiencias demuestran que los conceptos de calor y trabajo no son ms que una transferencia de la energa que posee un sistema. A esta se le conoce como energa interna y es una propiedad intrnseca del sistema para un determi-nado estado, que variar cuando entregue parte de su energa interna. La transferencia de energa se realizar en forma de calor y/o de cualquier tipo de trabajo, mecnico, elctrico, etc., entregndola al sistema o sistemas con los que interacte.

    Unidades de energa

    La energa que tiene almacenada un cuerpo se maniesta en forma de trabajo, por lo que el valor de este trabajo ser una medida de su energa.

    En el Sistema Internacional (S.I.) la unidad de trabajo y energa es el julio (J), que equivale al trabajo desarrollado por la fuerza de 1 newton (N) al desplazar su punto de aplicacin 1 metro (m).

    En fsica nuclear la unidad de energa utilizada es el electronvoltio (eV), que se dene como la energa de un electrn al pasar entre dos puntos separados por una diferencia de potencial de 1 voltio (V):

    1 eV = 1,60210-19 J

    La unidad de energa en electricidad es el kilowatio-hora (kWh), que se dene como el trabajo realizado por una mquina de 1 kilowatio (kW) de potencia durante 1 hora (h):

    1 kWh = 3,6106 J

    Para las fuentes energticas, las unidades representan su poder calorco. La unidad kcal/kg representa el nmero de kilocaloras obtenidas en la combustin de 1 kg de combustible:

    1 kcal = 4,186103 J = 10-3 termias

    La unidad tec (tonelada equivalente de carbn) representa la energa liberada por la combustin de 1 tonelada de carbn (hulla):

    1 tec = 29,3109 J

    Una tep (tonelada equivalente de petrleo) equivale a la energa liberada en la combustin de 1 tonelada de petrleo:

    1 tep = 41,84109 J = 107 kcal = 11.628 kWh= 7,35 br

    Siendo la relacin entre estas dos unidades:

    1 tep = 1,428 tec

    Las unidades energticas ms empleadas en terminologa inglesa son:

    1 Btu = 1,055103 J y 1 termia (US) = 105 Btu

    Otras magnitudes utilizadas son el Quads, el barril (br) de petrleo (con una capacidad de 0,159 m3), y el bcm (con una capacidad de 109 m3), que tienen una energa de:

    1Quads = 1,0551018 J1br = 136104 kcal = 1.582 kWh

    1 bcm = 104 Mtermias

  • 14 Energa, agua, medioambiente, territorialidad y sotenibilidad

    Por esta transferencia de energa se conocen las diferentes formas de energa que posee un sistema: mecnica, nuclear, radiante, elctrica, qumica, trmica, potencial, etc., siendo transformables las unas en las otras, como muestra la Figura 1.5.

    No se debe confundir fuentes de energa con formas de energa. Las fuentes energticas re-presentan el lugar de donde se puede obtener la energa. Por ejemplo, el agua de un embalse es una fuente energtica, ya que su energa potencial pue-de transformarse en elctrica. El carbn tambin es una fuente de energa, ya que su energa qumica puede convertirse en trmica.

    Las fuentes energticas se pueden clasicar en funcin de si provienen de recursos renovables o no renovables.

    Las fuentes de energa provenientes de recur-sos no renovables se encuentran limitadas, y sus reservas disminuyen a medida que se consumen. Se distinguen:

    1. Carbn. Combustible fsil producido por la acumulacin de vegetales que, a causa de variaciones de presin y temperatura, han

    sufrido un proceso de mineralizacin y car-bonizacin. Puede ser de diferentes tipos: antracita, hulla, lignito y turba. El de mayor poder calorco1 y tambin el ms antiguo es la antracita.

    2. Petrleo. Combustible fsil formado prin-cipalmente por hidrocarburos, proveniente de la descomposicin anxica de los restos de organismos vivos.

    3. Gas natural. Combustible de origen comn al petrleo, formado principalmente por metano. Su utilizacin ha aumentado en lo ltimos aos, ya que su conversin energ-tica contamina menos que el resto de com-bustibles convencionales.

    4. Energa nuclear. Proviene de las reacciones nucleares o de la desintegracin de los to-mos. La sin nuclear consiste en la divisin de un tomo pesado, mientras que la fusin nuclear, investigada para poder ser utilizada comercialmente en el futuro, est basada en la unin de ncleos ligeros para formar otro ms pesado. El problema de la fusin es que

    Figura 1.5. Las diferentes for-mas de energa son intercam-biables entre ellas.

    1 El poder calorfico de los diferentes tipos de carbn aumenta con el contenido en carbono. El de mayor poder calorfico es la antracita, seguido de hulla, lignito y turba.

  • 15Introduccin. Previsin del consumo energtico

    es necesario alcanzar temperaturas de millo-nes de grados centgrados, por lo que todava no existen reactores adecuados.

    Las fuentes que provienen de recursos renova-bles son inagotables. Cabe destacar:

    1. Energa hidrulica. Obtenida a partir de la energa contenida en el agua aprovechando los saltos de las presas, Figura 1.6.

    2. Energa solar. Proviene directamente del Sol en forma de radiacin electromagnti-ca, pudindose transformar en calor (ener-

    ga solar trmica) o en electricidad (energa solar fotovoltaica), Figura 1.7.

    3. Energa elica. Producida por la fuerza del viento. Debido a su naturaleza dispersa e intermitente solo puede aprovecharse en unas zonas concretas.

    4. Energa de la biomasa. Se obtiene de los compuestos orgnicos a partir de cultivos energticos, residuos forestales, etc.

    5. Energa geotrmica. Se basa en el calor que se transmite por conduccin desde el inte-rior de la Tierra hasta la supercie.

    Figura 1.6. Esquema del funcionamiento de una central hidroelctrica. El agua almacenada tiene una energa poten-cial que se transforma en cintica al abrirse las compuertas. Al caer acciona una turbina que transmite su movimiento al rotor del generador, que produce electricidad. (Fuente: UNESA).

    Figura 1.7. Representacin esquemtica del funciona-miento de un panel foto-voltaico. La radiacin solar en forma de energa lumi-nosa incide sobre el panel, de manera que es capaz de generar electricidad.

  • 16 Energa, agua, medioambiente, territorialidad y sotenibilidad

    ENERGA, TRABAJO Y CALOR

    La Tabla 1.7 pone de maniesto la necesidad de recursos segn los distintos tipos de energa primaria (nuclear, carbn) en su conversin en energa elctrica, indicando la cantidad de com-bustible necesario para el funcionamiento de una central de 1.000 MW. Tabla 1.7. Conversin energtica. Necesidades anuales de combustible para una central de 1.000 MW, a un 75% de capacidad (Fuente: CCHEN).

    CONVERSIN ENERGTICAFuente energtica Cantidad anualUranio 30 toneladasCarbn 2,1106 toneladasFuelleo 10106 barrilesGas natural 1,8109 m3

    Paneles solares 10.125 haRSU 6,2106 toneladas

    Un ejemplo tpico de trabajo mecnico es el movimiento de los labes de una turbina cuando se expande el vapor de agua sobre ella, es decir, el volumen del vapor con la variacin de presin del mismo. La energa en forma de trabajo se maniesta por la variacin de algn parmetro externo del sistema, sean sus propias dimensio-nes o debido a la accin de fuerzas exteriores que lo desplazan.

    A diferencia del trabajo, el calor, o mejor dicho, la transferencia de calor, se maniesta cuando existe una diferencia de temperatura en-

    tre el sistema (Ts) y el medio (Tm) que lo rodea. El calor se transere espontneamente desde el sistema de mayor al de menor temperatura, como muestra la Figura 1.8, variando la temperatura del propio sistema u otras caractersticas de su estado. El calor no est almacenado en un sistema, solo es una energa en trnsito.

    Gran parte de todo lo comentado anteriormente sobre la energa queda reejado en:

    a) La energa no se crea ni se destruye, solo se transforma.

    Esta es una ley universal, que gobierna todos los procesos naturales conocidos hasta la fecha, de la cual no se ha observado excepcin alguna, y que constituye la ley de la conservacin de la energa. Despus de Einstein y en un sentido f-sico estricto, esta ley ha quedado ampliada con su conocida relacin entre masa y energa.Al poner en contacto un cuerpo fro con otro caliente, se sabe que se igualan sus temperatu-ras con el paso del tiempo, y no sucede al revs, por lo que se concluye que el proceso se realiza en una determinada direccin. Adems, una vez unicadas las temperaturas no puede espont-neamente volverse a las condiciones iniciales. Tambin es conocido que un motor trmico tie-ne un bajo rendimiento, es decir, es incapaz de transformar toda la energa del combustible en trabajo. Estos aspectos que afectan directamen-te en qu direccin se realizan y con qu apro-vechamiento de energa, pueden reejarse en:

    Figura 1.8. Representacin grfica del intercambio de calor entre el sistema y el medio que le rodea en fun-cin de sus temperaturas. El sistema cede calor cuando su temperatura (Ts) es mayor que la del medio (Tm), y vi-ceversa.

  • 17Introduccin. Previsin del consumo energtico

    b) La energa se degrada en cada transformacin.

    Ambos aspectos, a) y b), lejos de ser contra-dictorios, se complementan y constituyen una primera visin del primer y segundo principios de la Termodinmica.

    QUIN GOBIERNA LA ENERGA?

    La Termodinmica, es la ciencia que estudia la energa y sus transformaciones, relacionando el conjunto de las propiedades de la materia con su comportam iento en los procesos fsicos y qu-micos. Las leyes de la termodinmica exponen las restricciones generales que impone la naturaleza a tales transformaciones.

    As la Termodinmica adems de evaluar la energa que se involucra en las transformaciones, indica en qu direccin se realiza y el mximo rendimiento que se puede alcanzar. Una forma de enunciar los dos principios citados de la Termodi-nmica es:

    La energa del Universo es constante. La entropa del Universo aumenta conti-

    nuamente.

    Estos enunciados llevan implcito que el Uni-verso es un sistema aislado. En Termodinmica hay que denir el sistema y caracterizar sus lmites a travs de los que se realizarn los intercambios de energa.

    Un sistema se dice que es aislado cuando no puede intercambiar ni energa, ni materia con el

    medio que le rodea, como esquematiza la Figura 1.9. En cambio, un sistema se dice que es abierto cuando puede intercambiar materia y energa con el medio que le rodea.

    Un ejemplo de sistema abierto es el Sol. Este tiene un carcter indenido, al menos a escala hu-mana, ya que hace miles de millones de aos que enva energa a la Tierra y seguir hacindolo du-rante otro periodo de tiempo similar.

    Se puede considerar al Sol como la fuente di-recta o indirecta de toda la energa empleada, ya que los combustibles fsiles existen gracias a la fotosntesis desarrollada hace millones de aos; el ciclo del agua asociado a las centrales hidroelc-tricas es originado por la energa solar y el viento empleado como materia prima en la energa elica se produce a partir de la diferencia de temperaturas en distintas zonas de la atmsfera.

    La Tierra posee unas reservas de materia sus-ceptibles de ser transformadas en energa, pero su cantidad es limitada. La radiacin solar, intercep-tada por la Tierra, constituye la principal fuente de energa renovable. La cantidad de energa captada anualmente por la Tierra es aproximadamente de unos 5,41024 J, unas 4.500 veces ms energa que la consumida por todos los pases del mundo.

    El Sol es una fuente energtica limpia e inago-table, capaz de evitar la dependencia del petrleo y de otras energas alternativas menos seguras y ms contaminantes, como las centrales nucleares y las trmicas.

    Figura 1.9. En un sistema aislado no existe intercambio de materia ni de ener-ga con el medio que le rodea, mientras que este intercambio s existe en un siste-ma abierto.

  • 18 Energa, agua, medioambiente, territorialidad y sotenibilidad

    La energa de un sistema se maniesta por su capacidad para desarrollar un trabajo y cumple el principio de conservacin, de forma que toda la energa ganada por el sistema es exactamente igual a la energa perdida por el medio con que interac-ta. Adems, la energa nicamente se pone de ma-niesto al ser transferida de un sistema a otro.

    La energa almacenada en un combustible de-pende exclusivamente de su naturaleza, o lo que es lo mismo, del anlisis elemental (contenido en carbono, hidrgeno, azufre, etc.), susceptible de li-berar energa al combinarse con el oxgeno.

    Sin embargo, la forma de liberar la energa s depender de la manera en que se lleve a cabo. Imaginemos una cantidad determinada de bioma-sa: Si se quema en una sosticada instalacin con un mnimo exceso de aire ser capaz de generar, en una caldera, un vapor de agua a alta presin que, a su vez, producir una notable cantidad de elec-tricidad al expandirse en una turbina. En cambio, si la combustin se lleva a cabo con un elevado exceso de aire, la temperatura de los gases de com-bustin ser tan reducida que el vapor generado en la caldera de recuperacin ser de baja presin y temperatura, lo que limita mucho sus posibilidades energticas. Finalmente, si la biomasa se abandona se degradar y acabar convirtindose en biogs (tambin combustible) si se encuentra en un me-dio anaerobio; pero si se abandona en presencia de aire, se transformar en CO2 y agua.

    En cualquiera de los tres supuestos anteriores, la energa almacenada en la biomasa es la misma pero la forma de aprovechar esta energa, es decir, el calor y su transformacin en otro tipo de ener-ga, es muy diferente.

    La Figura 1.10 pretende esquematizar, que la misma cantidad de energa liberada puede dar lu-gar a diferentes cantidades de energa til y pr-didas.

    La conclusin que se deriva de esta obser-vacin es que la variacin de energa propia del sistema, conocida como energa interna (U), es independiente de la forma en que tenga lugar la transformacin; en cambio, en funcin de estas condiciones de transformacin, el calor y el tra-bajo desarrollados sern diferentes (aunque su suma sea constante, ya que debe cumplirse el primer principio de la Termodinmica). A partir de ello puede concluirse que la energa interna es una funcin de estado (solo depende del esta-do del sistema), pero que ni el calor ni el trabajo (exceptuando el trabajo mximo) lo son, ya que dependen del camino escogido para realizar la transformacin. La energa interna tiene particu-lar importancia en los procesos que dependen de la temperatura. No es necesario conocer el valor absoluto del contenido de energa interna de un sistema, ya que lo que interesa son las variaciones de esta, que se maniestan en la energa que da o recibe el sistema en forma de calor o de trabajo.

    Figura 1.10. Representacin esquemtica del calor til o aprovechable (CA) y de las prdidas (P) en funcin del proceso.

  • 19Introduccin. Previsin del consumo energtico

    PRIMER PRINCIPIO DE LA TERMODINMICA

    El primer principio de la Termodinmica iden-tica el calor (Q) como una forma de energa, pu-diendo transformarse en trabajo (W).

    El primer principio arma que si en un siste-ma determinado se produce una transformacin, la variacin de energa interna del sistema entre un estado inicial y otro nal (U2-U1) ha de ser igual a la diferencia entre el calor entregado al sistema durante la transformacin (Q) y el trabajo total realizado durante esta transformacin (W):

    U2 U1 = Q W

    Este principio termodinmico hace referencia a la Ley de Conservacin de la Energa, y arma que la energa no se puede crear ni destruir, y tam-bin que el calor y el trabajo son la manifestacin por los que los sistemas intercambian energa entre s. En esencia el primer principio de la Termodin-mica no es ms que la formulacin matemtica del aspecto cuantitativo de la ley de la conservacin de la energa.

    En el supuesto de un sistema que evolucione cclicamente, caso de la mayora de mquinas, a cada ciclo el sistema vuelve a su condicin inicial, y tendr otra vez la misma energa interna, U2=U1, con lo que la anterior expresin quedar

    Q = W

    Por tanto un sistema que evolucione cclicamen-te puede proporcionar energa en forma de calor en igual cuanta que la energa en forma de trabajo que ha recibido. Segn el primer principio tam-bin podra ser cierto a la inversa, y convertir en trabajo toda la energa que ha recibido en forma de calor, pero esto no es posible como consecuencia del segundo principio de la Termodinmica, que impone una determinada direccin a los procesos. En otras palabras, calor y trabajo son dos formas de energa equivalentes segn el primer principio, pero existe una asimetra en su posible conversin segn el Segundo Principio.

    Cuando se consume biomasa, se genera un calor que se aprovecha en forma de trabajo en una m-quina o sistema, y el resto se elimina en forma de gases calientes que se emiten a la atmsfera. Inevi-tablemente aparecen los gases calientes. Llegados a este trmino, cmo se conserva la energa?

    Si se parte de un sistema en el que se aporta una energa primaria en forma de calor (Q), se produ-ce un trabajo (W) y una energa trmica residual (Q), como muestra la Figura 1.11. La aplicacin del primer principio a este sistema responde a la siguiente expresin matemtica:

    Q = W + Q

    Por tanto en esta situacin real se cumple el primer principio, pero inevitablemente aparece la

    Figura 1.11. El calor suministrado a un sis-tema no se transforma totalmente en trabajo, sino que una parte se convierte en calor resi-dual.

  • 20 Energa, agua, medioambiente, territorialidad y sotenibilidad

    energa trmica residual (Q) que impide que todo el calor que entra al sistema se convierta ntegra-mente en trabajo.

    La Ley de Conservacin de la Energa constituye el enunciado del Primer Principio de la Termodinmica: la energa ni se crea ni se destruye, sino que se transforma.

    Por ejemplo, en el proceso de combustin de carbn, la cantidad de energa de entrada ha tenido que transformarse en otra (energa til, emisin de gases calientes, generacin de escorias, etc.). La cantidad de energa resultante es la misma, aunque no est concentrada, y no se puede aprovechar. Como se ver ms adelante, ha aumentado la entropa.

    Aun cuando la energa se pueda convertir de una forma a otra, no se puede crear ni destruir. La biomasa (biomasa forestal, biomasa animal, etc.) constituye un ejemplo de acumulacin de energa gracias a la fotosntesis y la energa procedente del Sol. Al liberar la energa de la biomasa mediante un sistema de conversin energtica, una parte se transforma en calor til (el calor sensible de los gases de combustin se transeren a una caldera) y otra en calor residual, ya que las prdidas del sistema se disipan calentando momentneamente la atmsfera, que nalmente ceder parte de la energa recibida al exterior para restablecer de este modo el equilibrio.

    Entalpa

    La entalpa es una magnitud que caracteriza el sistema de igual modo que la energa interna. Como esta tampoco es importante conocer su va-lor absoluto, sino su variacin, sin embargo s se utiliza en muchas ocasiones un valor de referencia en las condiciones normales, de las que hay inclu-so tablas. La entalpa se utiliza para determinar las variaciones de energa del sistema en los procesos en los que interviene la presin. As, se dene la entalpa, o mejor la variacin de entalpa, como el calor transferido en un proceso isobrico, es decir, a presin constante. Matemticamente, la entalpa (H) equivale a:

    H = U + PV

    Donde U es la energa interna, P la presin y V el volumen. En el caso del vapor de agua, al no comportarse como un gas ideal, para evaluar la evolucin de su contenido energtico se utilizan los siguientes conceptos:

    Entalpa del lquido. Es el calor necesario para llevar 1 kg de agua desde 0C hasta su temperatura de ebullicin a una presin

    absoluta determinada. En las tablas de va-por, este valor se lee en la columna lquido saturado.

    Entalpa de vaporizacin. Es la energa ne-cesaria para convertir 1 kg de agua lquida en vapor a la misma temperatura y presin. La entalpa de vaporizacin disminuye a medida que aumenta la presin hasta alcan-zar la presin crtica del agua, en que la en-talpa de vaporizacin es nula.

    Entalpa del vapor para pasar de la tem-peratura de vaporizacin a una temperatu-ra determinada. Se determina mediante la cantidad de calor para pasar de una a otra temperatura manteniendo la presin cons-tante.

    La entalpa total equivale a la suma de las tres anteriores.

    En los procesos de valorizacin de biomasa en calderas de recuperacin y turbinas de vapor es preciso recalentar el vapor. Para calcular la ental-pa del vapor recalentado se puede multiplicar el calor especco (que vara con la temperatura y la presin desde 0,44 kcal/kgC para pequeos gra-dos de recalentamiento hasta 2 kcal/kgC) por la diferencia entre la temperatura del vapor saturado y la de recalentamiento.

    SEGUNDO PRINCIPIO DE LA TERMODINMICA

    La necesidad del segundo principio de la Ter-modinmica nace de por qu unos procesos se realizan de forma espontnea en una determina-da direccin y no en la contraria. Hay numerosos ejemplos como: el agua uye espontneamente de los niveles superiores a los inferiores, una sal se disuelve en agua, o la falta de simetra en la trans-formacin del calor y del trabajo ya comentado.

    El segundo principio hace referencia a la impo-sibilidad de transformar, en una mquina cclica, todo el calor en trabajo, tal y como se muestra en el motor trmico de la Figura 1.12.

    El motor trmico trabaja entre dos focos a di-ferente temperatura TH y TC, absorbiendo calor del foco o fuente caliente y cediendo una parte de ste a la fra. No se ha construido nunca un motor que absorba calor y lo transforme totalmente en trabajo. A partir de este hecho se obtiene el segun-do principio de la Termodinmica formulado por

  • 21Introduccin. Previsin del consumo energtico

    Kelvin-Planck y Clausius: no existe ningn pro-ceso que absorba calor de un foco caliente y lo transforme ntegramente en trabajo.

    Concepto de entropa

    Del enunciado de la Segunda Ley de la Ter-modinmica se deriva que de forma espontnea, real, la energa solo puede cambiar en una nica direccin, es decir, de utilizable a no utilizable, de disponible a no disponible, de ordenada a desor-denada.

    La medida de este grado de desorden recibe el nombre de entropa, que es una magnitud termodi-nmica que permite interpretar el porqu del senti-do direccional de los procesos fsicos y qumicos, y explicar la conversin incompleta de calor en trabajo a pesar de que cualquier energa, en forma de cualquier tipo de trabajo, pueda transformarse completamente en calor.

    As, de acuerdo con el segundo principio, todo cuanto existe en el Universo comenz en forma de energa concentrada disponible y se est transfor-mando con el paso del tiempo en energa dispersada y no disponible. La entropa mide la tendencia que

    tiene la energa disponible de cualquier sistema a pasar a una forma no disponible, o cuando menos a una situacin ms degradada. As al poner dos cuerpos con distintas temperaturas en contacto se observa, indefectiblemente que, con el tiempo, al-canzarn la misma temperatura, y aunque la energa se ha conservado, se ha degradado, pues ahora ya no puede aprovecharse para obtener trabajo. En este cambio la entropa aumenta. Antes, cuando los dos cuerpos an estaban a distinta temperatura s que poda obtenerse trabajo, energa til, como se ver en el siguiente apartado, con la mquina de Carnot.

    El segundo principio de la Termodinmica arma que la entropa de un sistema aislado nun-ca puede decrecer. En el caso de que un sistema alcance una conguracin de mxima entropa signicar que habr alcanzado el equilibrio y por tanto ya no tendr capacidad de evolucionar. Visto de esta forma, parece que la naturaleza se desa-rrolla, puede evolucionar, cuando est en una forma ordenada, y no puede evolucionar cuando est totalmente desordenada.

    En el caso de la combustin de biomasa o car-bn2, se produce calor y trabajo, y el resto del calor, en forma de prdidas y gases calientes, se emite de forma difusa a la atmsfera como energa no disponible, con lo que aumenta la entropa. Tambin se dice que la energa se ha degradado.

    La variacin de entropa de un sistema entre un estado inicial y otro nal, cualquiera que sea el proceso real realizado, puede evaluarse deter-minando el cociente entre el calor intercambiado por el sistema y su temperatura en cada parte de un proceso que lleve al sistema de su estado ini-cial al mismo estado nal a travs de un proceso ideal reversible. La variacin de entropa de un sistema aislado en un proceso real o espontneo siempre aumenta. Si el sistema interacta con otro, en conjunto constituirn un sistema aisla-do, en que el sistema propiamente puede dismi-nuir (o aumentar) de entropa a costa de que con

    Figura 1.12. Representacin esquemtica de un motor trmico. Absorbe calor de un foco caliente y cede una parte de este calor al foco fro, proporcionando un tra-bajo al exterior.

    2 En la escala geolgica tambin se debera considerar a los combustibles fsiles como una forma de biomasa, ya que los pro-cesos de generacin son similares. La diferencia es que, en el caso de los recursos fsiles, dicho proceso ocurri hace centenares de millones de aos y el carbono secuestrado se encuentra fuera del circuito. Se entiende por circuito el ciclo de carbono. Cuando la biomasa se oxida, se genera CO2, y ms tarde, la fotosntesis lo vuelve a jar en la biomasa.

  • 22 Energa, agua, medioambiente, territorialidad y sotenibilidad

    el que interacte aumente en mayor cantidad (o disminuya en menor cantidad), con lo que en el conjunto habr aumentado.

    El concepto de proceso reversible es com-plejo y a grandes rasgos se reere a que el pro-ceso puede invertir su direccin intercambiando iguales cantidades de calor y trabajo. A efectos prcticos signica que es un proceso terico en el que los sucesivos cambios se hacen innita-mente lentos y con cantidades muy pequeas, innitesimales, de calor y trabajo.

    El teorema de Carnot

    Una de las consecuencias del segundo principio de la Termodinmica es el teorema de Carnot. Es posible demostrar que un motor que funciona en-tre dos fuentes a temperaturas diferentes siguiendo un ciclo de Carnot reversible tiene un rendimiento mayor al de cualquier mquina que funcione entre estas dos mismas fuentes.

    Este descubrimiento tan importante con rela-cin al rendimiento de las mquinas trmicas, o mquinas empleadas para la conversin del calor en trabajo, fue enunciado por N.L.S. Carnot en los siguientes trminos: Todos las mquinas de Car-not que funcionan entre las mismas fuentes tienen el mismo rendimiento, independientemente de la sustancia que experimenta el ciclo.

    El ciclo de Carnot est formado por dos proce-sos isotrmicos, es decir, a temperatura constante, y dos procesos adiabticos, en los que no existe intercambio de calor.

    La mquina trmica de Carnot

    Consiste en una mquina que produce trabajo a partir de calor mediante un proceso cclico re-versible. Esta mquina, terica, es la ms eciente que existe.

    Como puede observarse en la Figura 1.13, la mquina de Carnot absorbe calor Q de la fuente caliente a temperatura constante, y lo cede, Q, tambin isotrmicamente, a la fuente fra. Asimis-mo, los procesos adiabticos que unen las dos iso-termas tambin son reversibles, por lo que todo el ciclo de Carnot es reversible.

    Figura 1.13. Representacin en un diagrama tempe-ratura-volumen del ciclo de Carnot, constituido por dos procesos adiabticos y otros dos isotrmicos.

    Ejemplo

    Una mquina trmica, cuya fuente de energa es combustible nuclear, funciona entre la temperatura del reactor (o del horno) y la del medio ambiente, que en este caso viene representada por la temperatura de un ro, donde se descarga la energa no aprovechada.

    La energa elctrica producida es de 900 MW(e). Sabiendo que las temperaturas del reactor y la del ro son 320 oC y 20 oC, respectivamente, calcular la eciencia mxima de la mquina trmica y la elevacin de la temperatura del ro.(Nota: el ejemplo tambin sera vlido para una central trmica de combustible fsil).

    Energa generada 900.000 kW(e)Temperatura del reactor 320 oCTemperatura del ro 20 oCEciencia mxima de la mquina trmica 51%Eciencia real trmica (respecto la mxima) 60%Rendimiento real 30%Energa total desarrollada por el sistema 2.965.000 kWCalor descargado al ro 2.065.000 kWCaudal uvial 170 m3/sMasa de agua 170.000 kg/sSalto trmico 2,9 oC

  • 23Introduccin. Previsin del consumo energtico

    El rendimiento () de la mquina trmica de Carnot es ig