Retos en la I+D+i en Energía. David Serrano Instituto IMDEA Energía Universidad Rey Juan Carlos

Transcripción

1 Retos en la I+D+i en Energía David Serrano Instituto IMDEA Energía Universidad Rey Juan Carlos

2 Contribución de las diferentes fuentes de energía primaria Petróleo 45,0% 1973 Carbón 24,8% Petróleo 34,3% 2004 Carbón 25,1% Otros 0,1% Otros 0,4% Renovables y Residuos 11,2% Hidro... 1,8% Nuclear 0,9% Gas Natural 16,2% Renovables y Residuos 10,6% Hidro... 2,2% Nuclear 6,5% Gas Natural 20,9% 6035 Mtep Mtep Combustibles fósiles: 86% 80%

3 Consumo de energía primaria en España en 2008 Contribución de las fuentes energéticas Dependencia de combustibles fósiles: 81,6%

4 Relación Reservas/Producción de combustibles fósiles (2009) Petróleo: R/P = 45,7 años (56,6% en Oriente Medio) Gas natural: R/P = 62,8 años (40,6% en Oriente Medio) Carbón: R/P = 119 años (distribución más uniforme)

5 Flujos energéticos mundiales

6 Volatilidad de los precios de los combustibles fósiles

7 Consecuencias medioambientales de los combustibles fósiles Contaminación atmosférica: Óxidos de azufre Óxidos de nitrógeno Partículas sólidas Hidrocarburos CO CO 2 Carbón (H/C=1) Petróleo (H/C=2) Gas natural (H/C=4)

8 Ciclo del carbono

9 Dióxido de Carbono (ppm) Radiación incidente (W m -2 ) Metano (ppm) Radiación incidente (W m -2 ) Óxido Nitroso (ppm) Radiación incidente (W m -2 ) Incremento en la concentración de gases de efecto invernadero en la atmósfera CO 2 CH 4 NO X Tiempo ( hasta 2005 ) Tiempo ( hasta 2005 ) Tiempo ( hasta 2005 ) Nuevo record de [CO 2 ] en la atmósfera: 390 ppm en 2010 (+ 1,90 ppm) En 2007 China superó a USA como mayor emisor de CO 2

10 Diferencia entre Efectos del cambio climático Temperatura Nivel del mar Cobertura de nieve en el hemisferio norte Temperatura media Nivel medio del mar Cobertura de nieve en el hemisferio norte Año

11 Consecuencias medioambientales de los combustibles fósiles

12 Evolución y proyección en el consumo de combustibles

13 Evolución y proyección en el consumo de combustibles COMBUSTIBLE RELACIÓN C/H Carbón 2 Petróleo 0.5 Gas natural 0.25 Hidrógeno 0

14 Energy consumption share (%) Evolución reciente en el consumo de los combustibles respecto del total de energía primaria Oil Coal Gas Others Year

16 Reto global: desarrollo de un sistema energético sostenible Ahorro y eficiencia energética

17 Reto global: desarrollo de un sistema energético sostenible Ahorro y eficiencia energética Tecnologías energéticas bajas en carbono - Captura y almacenamiento de CO 2 - Energía nuclear

18 Reto global: desarrollo de un sistema energético sostenible Ahorro y eficiencia energética Tecnologías energéticas bajas en carbono - Captura y almacenamiento de CO 2 - Energía nuclear Energías renovables - Energía eólica - Energía solar - Biomasa

19 Reto global: desarrollo de un sistema energético sostenible Ahorro y eficiencia energética Tecnologías energéticas bajas en carbono - Captura y almacenamiento de CO 2 - Energía nuclear Energías renovables - Energía eólica - Energía solar - Biomasa Vectores energéticos - Redes eléctricas inteligentes - Almacenamiento de energía - Hidrógeno

20 Evolución del gasto público de I+D en energía

21 Funcionamiento del sistema de I+D+i

22 Ahorro y Eficiencia Energética

23 Eficiencia de las transformaciones energéticas

24 Eficiencia en la generación de energía eléctrica: centrales de ciclo combinado

25 Eficiencia en la generación de energía eléctrica/calor: cogeneración

26 Consumo específico de combustible de los automóviles Litres/100 km

27 Pilas de combustible Pila de combustible: dispositivo electroquímico que convierte directamente la energía química en energía eléctrica. Motores Térmicos Combustión con oxígeno Energía Química (Combustible+ Oxidante) Energía Térmica Límite de Carnot ηmáx =1-Tf/Tc Pilas de Combustible Energía Mecánica Generador η 1 Energía Eléctrica

28 Ahorro de energía asociado a las medidas de ahorro y eficiencia energética

29 Descarbonización: Captura y Almacenamiento de CO 2

30 Descarbonización del sistema energético

31 Captura y secuestro de CO 2

32 Alternativas de captura de CO 2

33 Captura de CO 2

34 Alternativas de confinamiento de CO 2

35 Evolución prevista en la eficiencia de las plantas de combustibles fósiles

36 Secuestro de CO 2 y recuperación avanzada de petróleo

37 Captura y secuestro de CO 2 Sistemas de captura de CO 2 de bajo impacto ambiental: absorción, adsorción, carbonatación Necesidad de proyectos de demostración a gran escala. Mapas de sitios con potencial de almacenamiento. Objetivo prioritario: plantas de generación de electricidad por combustión. Objetivo secundario: industrias intensivas en energía. Necesidad de crear las infraestructuras necesarias para el transporte de CO 2. Incentivos económicos: tasa sobre emisiones de CO 2.

38 Descarbonización: Energía Nuclear

39 Energía nuclear

40 Energía nuclear de fisión

41 Energía nuclear de fisión: necesidades tecnológicas y retos de I+D Mejora adicional de la seguridad de las centrales nucleares. Centrales de pequeño y medio tamaño ( MW); Países en vías de desarrollo Reprocesamiento de los combustibles nucleares gastados: - Mejor aprovechamiento del combustible - Menor actividad de los residuos. Coproducción de hidrógeno y electricidad.

42 Energías Renovables

43 Energías Renovables

44 Ventajas potenciales de las Energías Renovables Incremento del grado de autoabastecimiento y mejora en la seguridad de suministro de energía Menor impacto ambiental Reducción de emisiones de gases de efecto invernadero Mejora de la calidad de vida en zonas urbanas Promueven el desarrollo regional y rural Generación de empleo Fuerte apoyo social

45 Limitaciones de las Energías Renovables Bajo grado de desarrollo tecnológico Energía muy diluida Gran variabilidad temporal Dificultad de acoplar generación y demanda Eficiencias energéticas bajas Coste económico elevado En ocasiones, incertidumbre sobre los beneficios ambientales reales

46 Estimación del potencial de las Energías Renovables Renewable Energy Scenario to 2040, EREC 2007

47 Principales países por inversiones en Energías Renovables (2006)

48 Energía Eólica

49 Energía eólica Ha experimentado un crecimiento exponencial en los últimos años. El coste se ha reducido por un factor de 4 desde Se estima que su implantación comercial seguirá produciéndose con crecimientos de dos dígitos. La energía generada por las turbinas depende fuertemente de las características del viento (recurso de elevada variabilidad y todavía difícil predicción). El tamaño de los aerogeneradores influye positivamente sobre la eficiencia y los costes. Impacto ambiental no despreciable: ruidos, visual, efecto sobre las aves.

50 Energía eólica marina Enorme potencial de desarrollo futuro: recursos sin explotar. Mayor intensidad y velocidad del viento. Posibilidad de incrementar todavía más el tamaño del aerogenerador. Menores exigencias estéticas y de ruido. Necesidad de soportar condiciones duras de operación: resistencia mecánica, corrosión, accesibilidad. Impactos ambientales adicionales y en gran parte todavía desconocidos. El coste de inversión depende de la profundidad de las aguas y de la distancia a la costa.

51 Energía eólica: necesidades tecnológicas y de I+D Mapas globales de disponibilidad de recursos eólicos, incluyendo las zonas marinas próximas a las costas. Mejora de los sistemas de predicción de vientos a corto-medio plazo. Incrementar el tamaño (potencia) de los aerogeneradores hasta 10 MW. Utilización de nuevos materiales con elevada resistencia mecánica por unidad de masa y/o elevada resistencia a la corrosión. Rotores inteligentes: sistemas de control y minimización de las cargas que soportan. Desarrollo de sistemas masivos de almacenamiento de energía. Mejora del conocimiento sobre el impacto ambiental que pueden tener los parques eólicos marinos. Nuevos sistemas de anclaje al fondo marino. Utilización de plataformas flotantes. Sistemas híbridos: eólica mareomotriz.

52 Energía Solar

53 Energía solar fotovoltaica Energía solar de concentración

54 Energía solar Contribución a la generación eléctrica en 2050: ACT: 6% BLUE: 11% Contribuciones repartidas al 50% entre PV y CSP PV no es actualmente competitiva, salvo en aplicaciones sin conexión a red (zonas remotas). Buenas perspectivas de desarrollo de CSP especialmente en las zonas con mayor irradiación solar. CSP se acopla bien con los picos de demanda eléctrica provocados por los sistemas de aire acondicionado. Costes de CSP intermedios entre los de PV y eólica.

55 Energía solar PV: necesidades tecnológicas y de I+D Módulos de c-si: aumento de la eficiencia, reducción de la intensidad de material y de costes. Módulos de lámina delgada: aumento de la eficiencia y de la durabilidad. Desarrollo de sistemas PV de tercera generación: - Sistemas de eficiencias elevadas - Sistemas de bajo coste: celdas solares sensibilizadas con colorantes celdas solares orgánicas Desarrollo de materiales de construcción con propiedades fotovoltaícas, que puedan reemplazar a los convencionales.

56 Energía solar CSP: necesidades tecnológicas y de I+D Aumento de la eficiencia: aumento de la temperatura, optimización de los diferentes componentes, modificación del fluido del ciclo termodinámico. Desarrollo de sistemas de almacenamiento de energía: incremento del tiempo de suministro. Integración en plantas de desalación: producción de electricidad, calor y agua. Co-producción de hidrógeno: ciclos termoquímicos. Co-utilización del calor en procesos industriales (producción de metales).

57 Biomasa y Bioenergía

58 Biomasa y bioenergía Representa en la actualidad la principal contribución a las ER. Sistemas tradicionales: muy poco eficientes. La disponibilidad de biomasa en 2050, en forma de cultivos energéticos y residuos, dependerá de la eficiencia de los sistemas agrícolas y forestales. Escenario BLUE Map: el uso de la biomasa se multiplica para el 2050 por un factor de 4, llegando a representar un 23% de la energía primaria mundial. La introducción a escala comercial de los biocarburantes de segunda generación será un factor clave para reducir las emisiones de efecto invernadero. Escenario BLUE Map: los biocarburantes llegan a representar un 26% del total de carburantes, requiriendo para su producción un 4% de la superficie total cultivable.

59 Biomasa y bioenergía En la generación de electricidad a partir de biomasa, jugarán un papel clave las tecnologías avanzadas de combustión: - Plantas de cogeneración. - Plantas de ciclo combinado. - Plantas de co-combustión con carbón. La gasificación de biomasa acoplada al proceso Fisher-Tropsch puede ser una vía importante para la producción de biocarburantes líquidos.

60 Biomasa y bioenergía: centrales de combustión de biomasa

61 Biomasa y bioenergía: retos tecnológicos y de I+D Biocombustibles de segunda generación: a partir de materiales lignocelulósicos. Desarrollo de cultivos de elevado rendimiento y resistencia a las plagas, disminuyendo la utilización de fertilizantes y pesticidas. Producción a partir de diferentes tipos de residuos: agrícolas, forestales y urbanos. Biocombustibles a partir de algas. Bio-refinería. Desarrollo a escala comercial de procesos de gasificación de biomasa para obtener gas de síntesis y/o hidrógeno. Criterios de sostenibilidad: consumos energéticos, deforestación, impacto ambiental global (ACV).

62 Biomasa y bioenergía: bio-refinerías

63 Biomasa y bioenergía: microalgas

64 Retos en la Gestión de la Generación de Electricidad

65 Generación distribuida y redes eléctricas inteligentes

66 Redes eléctricas inteligentes: retos tecnológicos y de I+D Suministro sostenible de electricidad: generación y demanda consideradas conjuntamente. Integración de la generación convencional con la generación a partir de ER. Gestión eficiente de las fluctuaciones que conlleva la generación de electricidad a partir de ER. Desarrollo de un auténtico mercado transnacional de electricidad. Transición desde un sistema pasivo a una red de distribución de electricidad activa e inteligente.

67 Sistemas de Almacenamiento de Energía

68 Tecnologías de almacenamiento Eléctrico: Condensadores Supercondensadores Mecánico: Hidráulico Aire comprimido Volantes de inercia Térmico: Vapor Sales fundidas Electroquímico: Baterías Químico: Hidrógeno

69 Sistemas de almacenamiento de energía: retos tecnológicos y de I+D Incremento de la energía específica almacenada. Incremento de la densidad energética almacenada. Mejora de la eficiencia del sistema de almacenamiento: cantidad y forma de energía a la entrada y a la salida Tiempos de autodescarga adecuados en función de la aplicación final.

70 Automoción La sostenibilidad del transporte exige una alternativa al motor de combustión interna que podría ser el automóvil eléctrico. Es necesario desarrollar sistemas de almacenamiento eléctrico que proporcionen una autonomía adecuada entre recargas a un coste razonable.

71 Requisitos para aproximarse al motor de combustión interna Mayor potencia específica (excepto condensadores) Mayor energía específica Tiempos de vida más largos Rangos de temperatura de operación más amplios Menor coste

72 Retos del Hidrógeno como Vector Energético

73 Hidrógeno como vector energético El producto de la utilización del hidrógeno como combustible es agua. No existen, por tanto, emisiones de sustancias contaminantes. Tampoco se generan gases de efecto invernadero. Se puede utilizar como combustible en una amplia variedad de sistemas: motores, turbinas y pilas de combustible. La transformación hidrógeno/electricidad tiene lugar en ambas direcciones con una elevada eficacia. Se puede transportar largas distancias en fase gas o en fase líquida. A diferencia de la energía eléctrica, el hidrógeno se puede acumular y almacenar en grandes cantidades.

74 Hidrógeno como vector energético El hidrógeno es el elemento más abundante en el universo. Actualmente no se encuentra libre en la Tierra. No se puede considerar una fuente de energía primaria. Se puede obtener a partir de una amplia variedad de fuentes de energía. Es renovable y limpio si la fuente de energía de la que procede lo es.

75 Hidrógeno como vector energético Fuentes conversión & distribución uso fósiles nuclear electricidad hidrógeno Conversión local a electricidad (fuel cells) Usos eléctricos Combustible de transporte Renovables Combustible doméstico Combust. industrial & gas reductor Usos químicos

76 Hidrógeno como vector energético Producción actual de H 2 : 95% a partir de combustibles fósiles

77 Grid Integración hidrógeno energía eólica ICE/Fuel Cell O 2 Gas Power Conditioner Control Systems + V - ~ = H 2 Gas Electrolyzer H 2 O H 2 Trucking H 2 Pipeline

78 Hidrógeno: retos tecnológicos y de I+D Desarrollo de sistemas de producción de H 2 eficientes y limpios: A partir de ER o de CF con CCS. Sistemas de almacenamiento de hidrógeno para vehículos: capacidad, peso, velocidad de carga y descarga Disponibilidad de infraestructuras de transporte y distribución. Desarrollo comercial a gran escala de las pilas de combustible.

80 Gracias por su atención