INSTITUTO POLITCNICO NACIONALESCUELA SUPERIOR DE INGENIERA MECNICA Y ELCTRICA SECCIN DE ESTUDIOS DE POSGRADO E INVESTIGACIN

INTRODUCCIN

La revolucin industrial se caracteriz por poner a la disposicin de los grupos sociales grandes cantidades de energa, muy superiores a las que dispusieron sus predecesoras.

En las economas preindustriales, solo se dispona de cantidades limitadas de energas de origen no humano. Estas eran proporcionaban por los animales domesticados, por el viento y por la energa hidrulica.

Las madera fue el principal combustible para cocinar alimentos, proporcionar calefaccin y extraer y refinar metales. Actualmente en los pases industrializados y en las reas urbanas e industrializadas de los pases en desarrollo, la disponibilidad de combustibles fsiles y nucleares han incrementado considerablemente las cantidades de energa consumidas en la produccin econmica y personal. Esto ha hecho posible alcanzar niveles de vida muy superiores a los niveles de subsistencia de la poca preindustrial.

El crecimiento exagerado de la poblacin durante la era industrial, exigi disponer de cantidades importantes de energa. Se desarrollaron fuentes de energa que tienen dos caractersticas: son finitas y no estn uniformemente distribuidas en el mundo.

Las principales fuentes de energas con que cuentan las sociedades actuales son: la energa fsil (carbn, petrleo y gas natural), la energa nuclear y la energa hidrulica. Estas se conocen como fuentes convencionales de energa. Tambin se disponen de otras fuentes de energas, llamadas renovables, pero estas solo suministran una pequea fraccin de la energa total consumida a nivel mundial.

Las fuentes renovables de energa incluyen la solar, la elica, la geotrmica, la biomasa, la ocenica (trmica y mecnica). Se pretende que el uso de estas energas se incremente, para disminuir el dao al medio ambiente que causan las fuentes convencionales de energa.

CONSUMO GLOBAL DE ENERGA

El consumo mundial de energa en 1997 fue de 380 Quands ( 1 Quands = 1 cuatrilln de BTU: 1015 BTU = 1.005 x 1018 J = 1.005 EJ (exajoules) = 2.9307 x 1011 kW-h ). Esta cantidad es aproximadamente igual a 1.1 x E(14) kW-h 110 PW-h. De este consumo, los pases desarrollados (industrializados) consumieron el 54%; los pases en vas de desarrollo consumieron el 31.5% y los de Europa del Este y la Unin Sovitica, el 14.5%.

Tendencia del consumo de energa mundial para 1970-1997 y proyeccin al 2020

Para el 2020, la proyeccin del consumo mundial de energa indica que los pases en vas de desarrollo consumirn el mayor porcentaje, rebasando as a los pases desarrollados.En 1996, USA consumi el 23.2% del consumo mundial de energa (88.2 Q), y su poblacin era del 4.6% de la poblacin mundial. China consum el 10.0% de la energa mundial (37.7 Q) con una poblacin mundial del 21%. La India consum el 8% de la energa mundial (30.6 Q) con una poblacin mundial del 16.3%. Estos son los 3 pases mayores consumidores de energa.

Los pases mayores consumidores de energa por habitante son: Canad (395 x 106 kJ/ao-pers), Noruega (390 x 106 kJ/ ao-pers) y USA (335 x 106 kJ/ ao-pers). Les siguen Rusia (181 x 106 kJ/ ao-pers), Japn (171 x 106 kJ/ ao-pers), Alemania (168 x 106 kJ/ ao-pers) y Francia (162 x 106 kJ/ ao-pers). A Mxico le corresponden (59 x 106 kJ/ ao-pers).El consumo de energa por unidad del PIB, en unidades MJ/ dollar-PIB (1987) es: Canad 24.5; Noruega 16.7; USA 16.2; Francia 9; Japn 7.1; Rusia 108.3; Indonesia 81; China 67; Mxico 36.

Poblacin, uso de la energa, PIG, uso de la energa per cpita y uso de la energa per $ PIB en algunos pasesa.

Pases desarrollados Poblacin (milln)Uso de la energa (Quad)PIGb ($ billn)Uso de la energa per cpita (MBtu/pers/a)Uso de la energa per $ PIG (kBtu/$ PIG)USA26388.2545233516.2Canad3011.747739524.5Rusia 14826.8247181108.3Japn12521.430071717.1Alemania8213.715011689.1Francia589.414021629.0Italia587.48841278.4Reino Unido589.878616912.5Noruega41.610239016.7

Poblacion, uso de la energa, PIG, uso de la energa per cpita y uso de la energa per $ PIG en algunos pasesa.a Datos del departamento de energas de USA, informacin de la agencia de energa 1997.b Producto interno bruto constante en USA 1987. dlar.b NA. No aplica

Pases en desarrollo Poblacin (millon)Uso de la energa (Quad)PIGPb ($ billn)Uso de la energa per capita (MBtu/cap/y)Uso de la energa per $ PIG (kBtu/$ PIG)China 121235.753329.467India 93630.637932.624Indonesia 19410.512954.181Brasil 1566.73334320Mxico955.61555936Total del mundo5724380NAc 66.4NA

FUENTES GLOBALES DE ENERGA

Las fuentes primarias de energa que cubrieron el consumo mundial de energa en 1997 fueron: petrleo (39%), carbn (25%), gas natural (21.5%), ncleo-elctrica (6.3%), hidroelctrica (7.5%) y geotrmica en conjunto con otras fuentes renovables (0.7%).Las proyecciones de la evolucin de las fuentes de energa al ao 2020, indican que la nica fuente que disminuir ser la nuclear, pero todas las otras continuarn aumentando, incluyendo las renovables, aunque en menor proporcin.

Proporciones (%) del consumo mundial de energa suministrada por las fuentes primarias de energa, 1997

Tendencia del crecimiento de las fuentes de energa a partir de 1970 a 1997 y la prediccin para 2020

En los ltimos 10 aos el consumo de energa en USA ha crecido al 1.7%/ ao; en China ha crecido al 5.3%/ ao y en la India al 6.6%/ ao. En Mxico este crecimiento ha sido del 5%/ ao. Este crecimiento en el consumo se ha cubierto principalmente con combustibles fsiles.En 1996, la distribucin del consumo de energa en USA fue el siguiente: petrleo (39.7%), gas natural (25.1%), carbn (22.8%), ncleo-elctrica (8%), hidroelctrica (4%) y geotrmica y renovables (0.4%). El 50% del petrleo y el 12% del gas natural consumidos fueron de importacin.

Proporciones (%) del consumo de energa de USA suministrado por las fuentes primarias de energa, 1996

CONSUMO GLOBAL DE ELECTRICIDAD

La energa elctrica se obtiene a partir de las energas primarias: fsil, nuclear, hidrulica, geotrmica y otros tipos de energas renovables.En 1997, la produccin mundial de energa elctrica fue de 12 billones (1012) kW-h. (12 PW-h). Para el 2020 se espera que esta produccin sea de 21 billones de kW-h (21 PW-h).La produccin mundial de electricidad en 1997 a partir de las fuentes primarias de energa fue de la siguiente forma: 63% de combustibles fsiles; 19% de hidrulica; 17% de nuclear y 1% de geotrmica y otras energas renovables.

Como el rendimiento trmico medio de las plantas termoelctricas es de 33.3%, estas plantas consumieron el 32.6% de la energa primaria mundial y el 55.5% de la energa fsil mundial en 1997. En USA, Europa, Japn y en Mxico entre otros pases, el gas natural ha tomado gran auge como energa primaria en la generacin elctrica, a causa del desarrollo de los Ciclos Combinados (CC) que tienen mayor rendimiento (40%-45%).

En USA, la distribucin de las fuentes primarias de energa para generacin elctrica en 1996, fueron: carbn (56.4%), nuclear (21.9%), hidrulica (10.7%), gas natural (8.6%), petrleo (2.2%) y geotrmica y otras renovables (0.25%).En algunos pases, las plantas nucleares son grandes productoras de electricidad: en Francia, 76%; en Corea del Sur, 36%; en Alemania, 29%; en Taiwn, 27% y en Japn, 26%.

Tendencia del consumo de electricidad mundial para 1990-1997 y prediccin para el 2020.

Proporciones (%) de la generacin elctrica mundial suministrada por las fuentes primarias de energa, 1997

Proporciones (%) de la generacin elctrica suministrada por las fuentes primarias en USA, 1996

Las plantas nucleares tienen la ventaja sobre las plantas de combustibles fsiles de no emitir gases de efecto invernadero, CO2, ni gases contaminantes SO2, NOX y tampoco partculas, pero la experiencia de accidentes graves y los problemas que representan los desechos nucleares sobre la salud, hacen que se tengan reservas sobre sus desarrollos futuros.

EMISIONES GLOBALES DE CARBN

Los pases que emiten mayores cantidades de carbn a la atmsfera son USA, China y Rusia. Esas emisiones en 1996 fueron las siguientes: USA: 1407 Mtc / ao; China: 871Mtc / ao y Rusia: 496 Mtc / ao.En emisiones de carbn por habitante, los valores son muy variados, pero a los pases desarrollados les corresponden los mas altos. En 1996, a USA le correspondieron 5270 kg/ hab-ao; a Canad le correspondieron 4040 kg/ hab-ao; a Francia le correspondieron 1600 kg/ hab-ao. Para ese mismo ao, a Mxico le correspondieron 1070 kg/ hab-ao.

Resulta interesante contabilizar las emisiones de carbono por unidad del PIG, referido al valor del dlar en 1987. En 1997, algunos de esos valores fueron los siguientes: USA 0.26 kg/ dll; Francia 0.09 kg/ dll; China 0.162 kg/ dll y Mxico 0.63 kg/ dll. Estas diferencias se pueden explicar por las cantidades de combustibles fsiles usados y por la eficiencia en el uso de los mismos.

Emisiones de carbn, emisiones de carbn per cpita y per $ PIG en algunos pases, 1996 (primera parte)a.

Pas Emisiones de carbn (Mt C/a)bEmisin de carbn per cpita (kg/pers/a) yEmisin de carbn per $ PIG (kg/$ PIG)c USA140752700.26Canad11940400.25Rusia 49633402.01Japn307.524600.1Alemania22827900.15Francia9316000.09Italia11219600.13Reino Unido14825300.19Noruega2045600.19

Emisiones de carbn, emisiones de carbn per cpita y per $ PIG en algunos pases, 1996 (segunda parte)a.a Datos del departamento de energas de USA, Centro de anlisis de informacin de dixido de carbono, Laboratorio nacional Oak Ridge, Oak Ridge.b Milln de toneladas mtricas de carbn por ao.c Producto interno bruto constante en USA 1987. dlar.d NA. No aplica

Pas Emisiones de carbn (Mt C/a)bEmisin de carbn per cpita (kg/pers/a)Emisin de carbn per $ PIG (kg/$ PIG)c Suiza 1114700.06Nueva Zelanda.7.521000.17China8717301.62Indonesia2482700.65Indonesia814100.62Brasil684300.2Mxico9810700.63Total del mundo62501090NAd

CONSUMO FINAL DE LA ENERGA EN USA

En 1996, en USA el consumo total de energa primaria se distribuy de la siguiente manera: 36.2% en el sector industrial; 36.6% en el residencial-comercial y 27.2% en transporte.

Tendencia del consumo de energa en USA para los sectores industrial, residencial-comercial y trasporte, de 1973-1996.

Sector Industrial

Tomando como base el ao 1994, el consumo de energa en el sector industrial en USA se distribuy de la siguiente manera: 35% en generadores de vapor, para producir vapor para generacin elctrica y para calentamiento de espacios; 33% en procesos industriales diversos; 14% en mquinas-herramientas; 12% en diversos procesos; 3% en procesos electroqumicos y 2% en procesos de enfriamiento.

La industria puede ahorrar energa modificando procesos, mejorando los equipos de intercambio de calor, desarrollando mecanismos mas eficientes, aplicando variadores de velocidad, entre otros. La aplicacin de la cogeneracin puede ahorrar energa al proporcionar el calor (vapor) y la electricidad requeridos por los procesos industriales en la misma planta. Desde luego que se pueden lograr mayores ahorros de energa cuando se puede aprovechar el calor de baja calidad en algunas aplicaciones, como es el calor desechado en condensadores.

Proporciones (%) del uso de la energa primaria en USA en el sector industrial.

Sector Residencial

Del total de la energa usada por el sector residencial, en 1990, aproximadamente el 40% se us en iluminacin elctrica; 34% en calefaccin por combustibles fsiles, como petrleo y gas natural; 16% para calentamiento de agua por electricidad y gas natural y 10% para acondicionamiento de aire.

Se pueden lograr ahorros importantes de energa en calefaccin, bajando la temperatura interior, en acondicionamiento de aire, aumentando la temperatura y en ambos casos mejorando el aislamiento trmico.

Proporciones (%) del uso de la energa primaria en USA en el sector residencial.

Sector comercialEn 1990, del total de la energa usada, el 26% fue en iluminacin, el 19% en calefaccin, el 9% en equipos de oficina, el 8.5% en calentamiento de agua, el 7.5% en acondicionamiento de aire, el 7% en ventilacin, el 5% en refrigeracin y el 14.5% en diversos usos.En este sector se pueden lograr ahorros importantes de energa en alumbrado, calefaccin, acondicionamiento de aire y ventilacin.

Proporciones (%) del uso de la energa primaria en USA en el sector comercial.

Sector transporte

En 1993, el 42% de la energa usada en este sector fue en automviles particulares, 20% en camiones ligeros, (usados para transportes de personas), 16% en transporte de carga, 9% en transporte areo, 7% en transporte martimo, 4% en ductos y 2% en trenes.

Considerando que prcticamente la totalidad de la energa que consume el transporte es derivada del petrleo, los automviles son responsables de aproximadamente el 50% de la contaminacin atmosfrica y contribuyen con casi 1/3 del CO2 emitido en USA.

El ahorro de energa y la reduccin de emisiones contaminantes en el sector transporte se puede lograr poniendo en prctica las siguientes acciones: a) reduciendo el peso de los automviles, b) mejorando la eficiencia trmica de los motores, c) usando celdas de combustibles y bateras elctricas para automviles elctricos, d) usando traccin hbrida: motores de combustin interna-motores elctricos y e) promoviendo el uso de transporte pblico.

Proporciones (%) del uso de la energa primaria en USA en el sector del transporte.

SUMINISTRO GLOBAL DE ENERGA

En futuro prximo, al menos hasta el 2020, los combustibles fsiles seguirn siendo fuentes importantes de energa; esto es, el carbn, el petrleo, el gas natural y otras fuentes de energas fsiles no convencionales.

Reservas de carbn

El carbn se encuentra prcticamente en todos los continentes. Sus caractersticas fisicoqumicas varan considerablemente en funcin de su origen biolgico (selvas, animales, pantanos, vegetacin escasa) y de su historia geolgica (edad, temperatura, presin).

Las propiedades importantes que se evalan en el carbn son: la humedad, la materia voltil, el carbn fijo, el azufre, las cenizas y de manera muy importante, el poder calorfico superior (PCS).Se estima que en el mundo las reservas de carbn son de 1012 toneladas mtricas, que en valor de contenido energtico, considerando sus diferentes composiciones, corresponden a 24,000 Q. En 1995, el consumo mundial de energa a partir del carbn fue de 95 Q/ao, y considerando los incrementos en el consumo de este combustible, se estima que se cuenta con reservas para 140 aos.

Composicin y caractersticas del carbn, porcentaje en pesoaa el porcentaje puede no estar por arriba a 100% debido a otros elementos estn presentes en carbn

PennsylvaniaPittsburgIllinoisMontanaNorte de DakotaHumedad4.52.013.210.533.7Material voltil1.730.536.034.726.6Carbn fijo84.158.241.843.632.5Azufre0.72.23.41.20.9Ceniza 0.79.39.011.27.2HHV, Btu/lb12,75013,62011,08010,5507,070

Los pases que cuentan con las mayores reservas mundiales de carbn son: USA (26%), ex URSS (25%), China (12%), Australia (10%), Alemania (7%) y Sudfrica (7%).

En reservas probables de carbn, que corresponden a las reservas estimadas pero no probadas, se estima que se dispone de una fuente de energa por este recurso, de 140,000 Q, que al nivel del consumo actual seran suficientes para cubrir la demanda de 1,500 aos.

Reservas mundiales de carbn, porcentaje.

Reservas petroleras

La composicin del crudo vara en calidad y en composicin, en funcin de su origen biolgico y de su historia geolgica. Se encuentra en depsitos geolgicos a profundidades que pueden llegar a miles de metros. Las reservas mundiales de petrleo se estiman en 1.6 x 1012 barriles (1 barril = 42 galones = 159 litros), situndose los mayores depsitos en Medio Oriente, (42%); USA, Canad y Mxico (15%) y Rusia (14%).

El poder calorfico promedio del crudo es de 5.6 x 106 kJ/barril, y en consecuencia, la energa mundial disponible por petrleo es de 9280 Q. En base a estos valores y considerando que el consumo actual de energa a partir del petrleo es de 145 Q/ao, se estima que se dispone de reservas de esta fuente de energa para 50 aos.

Se predice que la produccin mxima de crudo ocurrir en el perodo 2005-2020; despus de este perodo, la produccin se reducir y en consecuencia, el consumo de energa, a partir de esta fuente.

Tambin se dispone de reservas llamadas no convencionales que son difciles de extraer porque requieren de tecnologas y procesos complicados y mas contaminantes que aquellos utilizados para el petrleo convencional. Este petrleo no se encuentra en cavidades sino en medios porosos como arenas. Aunque no se tiene una evaluacin precisa de estas reservas, USA estima que dispone de un potencial de energa equivalente a 1,200 Q.

Reservas mundiales de petrleo, porcentaje, 1997.

Reservas de gas natural

El gas natural es una fuente muy importante de energa. Est compuesto principalmente de metano (CH4) y en menor proporcin mezclado con hidrocarburos pesados (etano, propano y butano). Tambin puede contener gases no combustibles como el nitrgeno y el dixido de carbono.En promedio, el gas natural tiene la siguiente composicin en peso: 74.4% de C, 24.8% de H2, 0.6% de N2 y 0.2% de O2. Su poder calorfico medio es de 55 MJ/kg 38.5 MJ/m3N.

El gas natural es un combustible limpio, porque fcilmente se puede lograr su combustin completa. Por esta razn se usa en turbinas de gas y porque no produce contaminantes sulfurosos. Por unidad de calor producido, produce la mitad del CO2 que el que produce el carbn y la tres cuartas partes de la que produce el crudo.

Las reservas mundiales de gas natural se estiman en 6.75 x 1015 ft3, lo que representa en energa 6,966 Q. En 1995 el consumo mundial de energa por gas natural fue de 77.5 Q y considerando el crecimiento del consumo, se considera que se tiene gas natural para 50 aos.

Las mayores reservas mundiales de gas natural se distribuyen de la siguiente forma: Medio Oriente (24.3%); Rusia (23%); USA, Canad y Mxico (17.4%).Se sabe de reservas de metano conocidas como no convencionales, atrapadas en trampas, en depsitos de rocas y arenas, adems de estar en forma de hidratos debajo de los ocanos o los cascos polares. Se estima que el contenido energtico total de este tipo de reservas es de 5-10 x 105 Q.

Reservas mundiales de gas natural, porcentaje,1997.

Resumen de reservas de combustibles fsiles

Las reservas mundiales probadas de energa a partir de los combustibles fsiles son: para el carbn 24,000 Q, para el petrleo 9,280 Q y para el gas natural 6,966 Q. Se estima que la duracin de estas reservas a partir de 1997, son: carbn 150 aos, petrleo 50 aos y gas natural 50 aos.

Rreservas mundiales probadas de combustibles fsiles, ndices de consumo y en tiempo de vida

CombustibleReserva (Q) Consumo 1995 (Q/a)ndice de crecimiento (%/a) 1987-1997Tiempo de vida (a) sin crecimientoTiempo de vida (a) con crecimientoCarbn24,000930.8258140Petrleo92801411.16650Gas 6966782.59050

La conclusin mas importante es que para conservar las reservas de combustibles fsiles y mitigar la contaminacin del aire y el calentamiento global a causa de la emisin de CO2, la sociedad actual debe incrementar el uso eficiente de estas fuentes de energas y desarrollar las fuentes de energa de origen no fsil.

Uso y suministro de la energa a nivel globalUso y suministro de la energa a nivel globalUso y suministro de la energa a nivel globalUso y suministro de la energa a nivel global