Este curso introductorio aborda conceptos de energía sustentable y describe tecnologías avanzadas que pueden sustituir progresivamente las actuales dominadas por el carbón, el petróleo y gas natural, cuyas emisiones está perturbando progresivamente el clima, lo que puede afectar el desarrollo y la convivencia internacional. Este curso ilustra los impactos que provoca la transformación de energía para estimular el desarrollo de cambios en las formas y tecnologías de producción y uso de la energía, comprendiendo su origen físico, sus desafíos, compromisos y externalidades. Se estudia la evolución del clima global y los escenarios que se contemplan. En base a ellos, se promueve la adopción de recursos naturales de larga autonomía, cuya transformación emite el mínimo impacto ambiental y climático y cuyas tecnologías son posibles de implementar a costos abordables para la sociedad, considerando que un sexto de la población global aún no accede a la electricidad ni a otros servicios energéticos esenciales para su desarrollo. Se proponen soluciones efectivas para la mitigación del cambio climático y se enuncian opciones aún en estudio.
Relación entre energía y agua
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From the course by Pontificia Universidad Católica de Chile
Explorando la Energía Sustentable
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Energía y desarrollo sustentable
En este módulo comprenderás la importancia de la energía en el desarrollo social, económico y tecnológico de la humanidad. Para ello, aprenderás el concepto de energía, conocerás sus orígenes, sus fuentes y las consecuencias que el consumo de éstas implica.
También comprenderás lo que es el desarrollo sustentable, las dimensiones que abarca, los indicadores que ocupa y su importancia para el futuro de la humanidad.
Meet the Instructors
Julio VergaraPhD in Nuclear Materials Engineering
Profesor Asociado Adjunto de la Escuela de Ingeniería UC.
César Sáez NavarreteDoctor en Ciencias de la Ingeniería
Departamento de Ingeniería Química y Bioprocesos
[MÚSICA]
Bienvenidos a esta nueva sesión del curso Energías Sustentables.
Mi nombre es Julio Vergara, profesor de la escuela de ingeniería UC.
En esta ocasión conoceremos algo más de la disponibilidad de agua en el planeta,
en especial su relación con el sector energía.
Recordemos que el agua para nuestro uso es poco abundante.
Si formamos una gota con todos lagos, apenas se vería desde el espacio
y la mitad de estos son salinos.
La gota mayor que aparece es toda el agua de la tierra.
Por mucho tiempo los mares fueron de agua dulce,
la salinidad actual obedece a años de percolación
y lavado de las sales de la tierra
a través del ciclo de agua, dejando la tierra menos salina
y en condiciones de producir vegetación y alimentos
para la fauna
y desde no hace mucho tiempo para el hombre.
Pero el mar quedó con 3.5% de salinidad, no apta para consumo humano.
Los acuíferos no siempre sirven de fuente de agua dulce
y puede demandar energía sacarla.
El agua del Aral tampoco serviría.
Los lagos permiten uso directo, siempre que no sean salinos
y el aporte de los ríos es incluso menor.
Por eso es conveniente considerar más opciones para conservar
y generar algo más allá del inventario natural.
Los acuíferos de agua fresca son la principal fuente de agua dulce,
0.76% corresponde al agua disponible,
pero solo los países más ricos retiran agua de acuíferos para su uso
ya que el bombeo, como sabemos, requiere energía.
El agua superficial es menos aún,
con menos del 0.3%.
No es simple sacar agua de la tundra,
del suelo, de la atmósfera, ni de los pantanos.
Eso nos deja una fracción muy pequeña en lo anterior, correspondiente a lagos y ríos.
Para maximizar la disponibilidad de agua limpia
para bebida y para producir alimentos
es necesario considerar entonces el reciclaje de agua después de su uso,
el almacenamiento de agua de lluvia y deshielos mediante embalses
y también la producción de agua desalada.
En todo caso, se requiere contar con energía.
Ya sabemos, el agua y la energía son interdependientes.
Vemos la primera opción, que es reciclar agua después de ser usada.
El tratamiento de agua consiste en varias etapas de procesamiento físico-químico,
primario, secundario, terciario y avanzado,
que permiten ir removiendo las partículas contaminantes del agua
para eventualmente inyectarla a un acuífero o al río.
Cada una de estas etapas tienen procesos característicos
para ir removiendo sucesivamente los elementos indeseables
y cada vez de menor tamaño relativo.
En las fases intermedias
es posible obtener material sólido para abono y biogás.
Y en las fases terminales es posible usar el agua para usos agrícolas.
Todas estas fases consumen energía.
Esta es una planta moderna de reciclaje,
con las fases primaria, secundaria y terciaria,
que inicia el proceso con filtrado, con arena y decantado.
Después de algunas horas
el agua se envía a biorreactores que separan carbón, fosforo y potasio.
El resultado del decantado va a fermentadores
desde donde digestores anaeróbicos producen metano sólido para abono,
mientras se recupera material para nutrientes,
usando técnicas de flotación con aire.
El producto de los biorreactores se clarifica y desinfecta
y finalmente se descarga al río.
Veamos la segunda opción, que es almacenar agua de lluvia y deshielos.
Suele convenir acumular agua mediante embalses.
De este modo se obtiene agua para consumo humano,
agrícola y para otros usos industriales,
mientras se previenen las crecidas y deshielos,
evitando inundaciones aguas abajo y crecidas aguas arriba.
En el mundo hoy existen 60,000 embalses grandes con una altura de más de 15 metros
para irrigación y unos 800 embalses muy grandes con una altura de más de 150 metros
para generación eléctrica.
El Embalse La Paloma es un ejemplo de embalse para consumo humano,
para apoyar la producción de cítricos, uvas y paltas de la IV Región de Chile,
se diseñó a fines de los años 60, para una capacidad de 750 millones de metros cúbicos.
Así se vio en sus peores años,
alcanzó un mínimo el año 2013 con menos del 5% de la capacidad nominal,
producto del mayor consumo y de escasas lluvias.
El año pasado se recuperó parcialmente y se acerca a la mitad de su capacidad.
El nivel de agua era tan bajo
que no llegaba siquiera al dique, como se aprecia acá en esta figura,
pero el agua salada se puede hacer bebestible.
Relacionemos el agua con la energía, conocemos todos estos puntos
y podemos ver que el agua salada puede ser una fuente de agua fresca
mediante desalinización, donde abundan tecnologías térmicas y químicas.
Algunas formas de desalinización o desalación son procesos con membranas,
por ejemplo, usando la ósmosis inversa
o la nanofiltración,
destilación o evaporación múltiple o flash,
uso de resinas de intercambio iónico, evaporación solar
o congelamiento en estanques, como se usaba en el pasado.
Los insumos son agua salada y energía,
un ejemplo de destilación es la planta de Arabia Saudita,
que provee, quemando gas, agua desalinizada para el 50% de su población.
La generación hidroeléctrica,
antes llamada carbón blanco,
representa hoy día el 7% de la energía primaria global
y el 16 % de la generación eléctrica,
con sistemas de embalse y de basada.
También hay plantas que elevan agua cuando no hay mayor demanda,
salvo en climas cálidos
con embalses no preparados,
ahorra en emisiones de efecto invernadero respecto de los sistemas fósiles
y en general presenta ventajas de disponibilidad
frente a otras renovables,
los sistemas térmicos, que son la principal forma de energía eléctrica,
también usan el agua, solo que para extraer el calor generado.
La generación eléctrica con tecnologías térmicas
representa en su conjunto el 78% de la electricidad,
de los cuales, al menos el 70% necesitan agua para su refinación.
La planta más grande de generación hidroeléctrica del mundo
está en el Yangtsé,
con 32 turbinas de 700 megawatts cada una, sumando aproximadamente 22 gigawatts.
A pesar del tamaño,
la Central Tres Gargantas representa solo el 15% de la capacidad instalada en China.
El 75% de su generación eléctrica es en base a carbono,
al que se suma un poco de gas que emiten CO2.
Hoy China es el mayor emisor del mundo.
Las tecnologías de bajas emisiones en China son la hidroelectricidad,
la nucleoelectricidad, la eólica, que suman el 20% restante.
Estas últimas han sido cuestionadas en algunos países,
por ejemplo, la hidroelectricidad en Chile, la eólica en Inglaterra,
no nos confundamos en hacer un mundo aparentemente perfecto,
hay quienes prefieren correr el riesgo del cambio climático.
Que los riesgos de la hidráulica o de la nuclear,
estas tecnologías se pueden diseñar
y aportar sus riesgos,
el cambio climático que veremos más adelante,
no se puede diseñar, solo se puede esperar.
Las Tres Gargantas fue controvertida por inundar a comunidades
y cubrir patrimonio cultural,
pero ha producido electricidad más limpia, que de lo contrario hubiese sido con carbón
y mitiga inundaciones.
Una idea que podría empequeñecer a Las Tres Gargantas es el proyecto Gran Inga,
el rio Congo ya posee dos centrales cerca de Inga, con casi 1,800 megawatts,
se ha planteado construir la central Inca tres, de 3,500 megawatts,
más grande que las cinco centrales de división,
la idea más notable es una central de embalse de 39 gigawatts,
80% superior a Las Tres Gargantas.
Es difícil que esta central prospere porque la zona no es políticamente estable.
Sin embargo, esta idea podría satisfacer 20% de la escasa demanda eléctrica de África,
llevando al consumo per capita de 740 kilowatt hora (por persona),
que es un tercio del promedio global, a casi 1,000 kilowatt hora por persona,
Esto cambiaría las condiciones de desarrollo del continente africano.
El agua dulce es vital para el desarrollo sustentable, pero no es tan abundante.
Se necesitan más opciones,
como recuperar y tratar las aguas servidas,
almacenar más agua del deshielo para usos agrícolas
y producirla desde el agua de mar.
Tanto esto como la generación eléctrica requieren agua para sus sistemas.
El agua es clave para el desarrollo sustentable.
Hasta la próxima sesión.
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