UNA MIRADA A LA ENERGIA NUCLEAR Charla ante la Academia Nacional de Ingeniería y Hábitat Ing. Nelson Hernández Blog: Gerencia y Energia Enero, 2010
POBLACION NUCLEAR RENOVABLES ELECTRICIDAD DESCARBONIZAR SISTEMA ENERGETICO DESARROLLO CAMBIO CLIMATICO El mundo de noche
Gestión Emisión de CO2 45 Millardos de TM de CO2 40 35 30 25 CC Industria Biocombustibles CC Plantas eléctricas Renovables Nuclear Eficiencia uso eléctrico Eficiencia uso final 20 2005 2010 2015 2020 2025 2030 Referencia Políticas Alternativas Estabilización 450 ppm Fuente: IEA Elaboración: Nelson Hernández
gr Ceq/kWh 400 350 357 Emisión de Ceq por Kwh generado (*) 300 250 151 246 200 150 100 278 206 181 215 97 149 121 188 157 82 106 50 0 79 25 2020 Carbón 31 Actual Actual 2020 Actual 2020 28 Petróleo 31 Gas 90 16 5.7 Nuclear Chimenea Otras fases (*) Multiplique por 3.67 para obtener gramos de CO2
después de muchos años de cuestionamiento y por efecto de la problemática del cambio climático, la energía nuclear surge como una de las soluciones para disminuir la emisión de CO2 Maqueta planta nuclear flotante Lomosonov en construcción (2006-2012) por Rusia con un costo de 147 millones de euros. Constara de 2 reactores de 35 MW cada uno y podrá alimentar una ciudad de 200 mil personas.
Por qué las centrales nucleares? 1. Garantizan el suministro eléctrico 2. Reducen la dependencia de los combustibles fósiles 3. No emiten CO2 4. Son seguras 5. Son competitivas 6. Tecnología conocida 7. Hay solución para los residuos 8. Diversifican las fuentes generadoras de electricidad
Cronología de la energía nuclear El uranio es conocido desde 1789 cuando el químico alemán Martín Klaproth analizando muestras de las minas de plata de Joachimsthal en Bohemia (Republica Checa) noto que en las mismas existía un elemento no conocido para esa fecha denominándolo Uranio El descubrimiento del radio en 1898 por Marie Curie llevó a la construcción de una serie de plantas de extracción de radio mediante el procesamiento de mineral de uranio. A partir del año 1939 con el descubrimiento de la fisión nuclear se inicia una nueva era en el ámbito energético, ya bien sea con fines pacíficos o no. En 1939 se inicia el proyecto Manhattan que culmina con la detonación de la primera prueba nuclear el 16-07-45. Las bombas de Hiroshima y Nagasaki fueron detonadas el 06 y 09 de agosto de 1945, respectivamente La investigación sobre la fusión controlada con fines civiles se inició en la década de 1950, y continúa hasta este día.
Cronología de la energía nuclear El potencial de uranio como fuente de energía industrial se hizo evidente con la botadura en 1954 del primer submarino movido por energía nuclear, el Nautilus de Estados Unidos. La Unión Soviética en 1954 construye el reactor tipo RBMK de 5 MWe, para demostración de generación de energía eléctrica, en la localidad de Obninsk, operó hasta 1959. El Reino Unido en 1956, construye el reactor tipo grafito-gas de 50 MWe, en operación comercial en la localidad de Calder Hall EEUU en 1957, construye el reactor tipo PWR de 60 MWe, diseñado por Westinghouse (originalmente para propulsión de submarinos), es emplazado en la localidad de Shipping Port Pensilvania, operado por Duqesne Light Co., hasta 1982 a partir de los años 60 del siglo XX, la energía nuclear ha logrado un avance extraordinario con fines militares y pacíficos (medicina, industria, agricultura, etc.)
Por qué enriquecer uranio? Método enriquecimiento por cascada centrifugadoras en una planta europea El Uranio (U-235) en estado natural esta en muy baja concentración por lo que hay que aumentarla (enriquecimiento) de tal manera que pueda ser útil. Para una planta de generación eléctrica un enriquecimiento entre 3 y 5 % es suficiente. Por encima de este % comienzan los problemas geopolíticos, ya que dicho % es el limite entre los usos pacíficos y bélicos de la energía nuclear. El uranio fisible en las armas nucleares normalmente contiene 85% o más de U-235 conocido como "nivel para armas" (weapons-grade), a pesar de que para un arma muy poco eficiente el 20% sería suficiente.
Agencia Internacional de la Energía Atómica (IAEA) La Agencia Internacional de la Energía Atómica (IAEA) nació el 29 de julio de 1957. Dentro de sus principales objetivos están: Inspeccionar los desarrollos nucleares a nivel mundial. La agencia tiene mas de 50 años de experiencia, y la inspección radica en verificar y salvaguardar que las actividades y materiales nucleares no se utilicen con fines militares. Ayudar a los países a mejorar la seguridad nuclear, y a prepararse para responder a cualquier eventualidad. A tal efecto, establece normas y convención internacional, y la ayuda de expertos de tal manera que permita la protección de las personas y el ambiente a las radiaciones perjudiciales. Ayudar a los países en la aplicación pacifica de la ciencia y tecnología nuclear, contribuyendo así a los objetivos del milenium de desarrollo sostenible en los ámbitos de la energía, el ambiente, la salud y la agricultura, entre otros, y la cooperación en áreas clave de la ciencia y la tecnología nuclear.
Geopolítica del uranio Los países que dominan integralmente la energía nuclear no desean que otros la dominen, motivado al auge del terrorismo, lo que ha modificado ampliamente la interrelación geopolítica mundial Solo hay un punto de encuentro: Cuando se fabrica o se compra U-235 menor o igual a 5 % de enriquecimiento para generar electricidad o para usos científicos e industriales Rusia Estados Unidos China Francia Inglaterra Israel India Pakistán Nor Corea Nro. de Bombas 19500 (a) 9000 (b) 400 350 200 200 45-90 30-50 (c) Notas: (a) Llego a tener 44000 / (b) Llego a tener 28000 / (c) Posee material para 6 bombas El principal miedo al desarrollo pacífico de la energía nuclear, es que la brecha que la separa del uso bélico no es la tecnología o los recursos, si no la ética de quien la controla
Energía nuclear y garantía de suministro Existe abundancia de uranio Diversificación geográfica de suministradores Estabilidad socio-política de los países productores Redes de transporte fiables y suficientes Las centrales nucleares operan en el entorno de las 8.000 horas anuales Bajo coste operativo (combustible y O&M) Baja sensibilidad a la variación del precio del combustible (coste predecible) Estabilidad a largo plazo de los costes de producción de electricidad
Inspección planta nuclear Irán
2008. Producción y Reservas de Uranio a nivel mundial Producción tu Reservas tu< 80 US$/Kg Duración años Canadá 9000 329200 37 Kazakastan 8521 344200 40 Australia 8430 714000 85 Namibia 4366 145100 33 Rusia 3521 172400 49 Niger 3032 44300 15 Uzbeskitan 2338 55200 24 Estados Unidos 1430 99000 69 Ucrania 800 126500 158 China 769 44300 58 Sur África 655 205900 314 Brasil 330 157400 477 India 271 n/d - Republica Checa 263 600 2 Los otros 3 (*) 127 n/d - Total Mundo 43853 2438100 57 Fuente: World Nuclear Association (*) Francia, Rumania y Pakistán Elaboración: Nelson Hernandez
2008. Las 10 primeras minas de Uranio Mina País Principal Dueño Producción tu McArthur River Canadá Cameco 6383 Ranger Australia ERA (Rio Tinto 68%) 4527 Rössing Namibia Rio Tinto (69%) 3449 Olympic Dam Australia BHP Billiton 3344 Priargunsky Rusia ARMZ 3050 Arlit Niger Areva 1743 Rabbit Lake Canadá Cameco 1368 Akouta Niger Areva 1289 McClean Lake Canadá Areva 1249 Akdala Kazakhstan Uranium One 1034 Total 10 primeros 27436 63 % Total Mundo 43853 Fuente: World Nuclear Association Elaboración: Nelson Hernandez
2008. Situación de la energía nuclear
2008. Realidad de la energía nuclear 56 años de experiencia en generación eléctrica 436 reactores en funcionamiento en 30 países 367 GWe instalados Experiencia operativa acumulada de más de 14000 años-reactor 44 nuevos reactores en construcción en 14 países 10 % del total de la capacidad de potencia instalada Genera el 13% de la electricidad consumida (la mayor fuente no emisora de CO2) Equivalente a 3440 millones de barriles de petróleo / año Evita la emisión anual de 1912 Mt CO2 (8 % del total mundial)
2008. Reactores en construcción 12 11 10 8 6 8 6 5 44 reactores 4 2 0 2 2 2 2 1 1 1 1 1 1
Consumo (millones de TPE) 12000 2008. Los 10 primeros en consumo de energía 3 TPE/Hab 2 TPE/Hab 10000 Mundo 8000 Los 10 Primeros 6000 1 TPE/Hab 4000 Estados Unidos China Resto del Mundo Rusia 0.5 TPE/Hab 2000 Japón 0 Fuente: BP Canadá India Brasil 0 2000 4000 6000 8000 Alemania / Francia / Sur Corea Población (millones) Elaboración: Nelson Hernandez
2008. Los 10 primeros en consumo de energía Estados Unidos Petróleo Gas Carbón Nuclear Hidro 38,5 26,1 Porcentaje 24,6 8,4 2,5 Total (1) 2299 China 18,8 3,6 70,2 0,8 6,6 2003 Rusia 19,1 55,2 14,8 5,4 5,5 685 Japón 43,7 16,6 25,4 11,2 3,1 507 India 31,2 8,6 53,4 0,8 6,0 433 Canadá 30,9 27,3 10,0 6,4 25,4 330 Alemania 38,0 23,7 26,0 10,8 1,4 311 Francia 35,7 15,4 4,6 38,6 5,6 258 Sur Corea 43,0 14,9 27,5 14,2 0,4 240 Brasil 46,2 9,9 6,4 1,4 36,1 228 Los 10 primeros 31,1 19,7 36,2 6,8 6,2 7294 Resto Mundo 41,5 32,3 16,6 3,1 6,6 4001 Mundo 34,8 24,1 29,2 5,5 6,4 11295 (1): Millones de toneladas de petróleo equivalente Fuente: BP Elaboración: Nelson Hernandez
2008. Mundo: Consumo de energía primaria y generación de electricidad Consumo Generación Total = 227 millones de BDPE Total = 20.2 Tera Kwh 29.2 % 6.3 % El 32 % de la energía primaria fue utilizada para generar electricidad 5.0 % 13.0 % 19.5 % 5.6 % 20.3 % 24.1 % 34.8 % 42.2 % Petróleo Gas Carbón Renovables Nuclear Fuente: EIA Elaboración: Nelson Hernández
2008. Capacidad y Generación Eléctrica con Base Nuclear Generación 10 9 Kwh Capacidad MWe Estados Unidos 809 101119 Francia 418 63473 Japón Rusia Sur Corea Alemania Canadá Ucrania China Suiza 240 152 144 141 89 84 65 61 46236 21743 17716 20339 12652 13168 8587 9016 (*) Argentina, Armenia, Bélgica, Brasil, Bulgaria, Republica Checa, Finlandia, Hungría, India, Lituania, México, Holanda, Pakistán, Rumania, Eslovaquia, Eslovenia, Sur África, España, Suecia, Inglaterra Los Otros 20 (*) 397 52951 Total Mundo 2600 367500 13.0 % del total mundial Fuente: World Nuclear Association Elaboración: Nelson Hernandez
Relación energética del U-235 Para relacionar las toneladas de uranio con los MW, tenemos que el rendimiento del combustible nuclear (U-235) quemado se expresa en días megavatios (MW) por tonelada de combustible. Con un quemado promedio típico de 1 tonelada enriquecida a 5 % de (U235) produciría 45000 MWd/t, que es equivalente a la generación eléctrica obtenida al quemar 18000 toneladas de carbón. El consumo de uranio, para el 2008, totalizo 64615 toneladas, lo que arroja un rendimiento de 40238 MWh por tonelada de uranio.
Central nuclear con un reactor de agua a presión (PWR) 1. Edificio de contención 2. Torre de refrigeración 3. Reactor nuclear 4. Barras de control 5. Acumulador de presión 6. Generador de vapor 7. Combustible nuclear 8. Turbina 9. Generador eléctrico 10. Transformador 11. Condensador 12. Vapor 13. Liquido saturado 14. Aire ambiente 15. Aire húmedo 16. Fuente de agua (río, lago) 17. Circuito de refrigeración 18. Circuito primario 19. Circuito secundario 20. Emisión aire húmedo
MUNDO. Generación Eléctrica (2008 2030) 32 Tkwh 3 % 12 % 20 Tkwh 14.1 % 19.3 % 20.1 % 41.8 % 4.7 % 21 % 21 % 43 % 2008 2030 Petróleo Nuclear Renovables Gas Carbón Fuente: EIA Elaboracion: Nelson Hernandez
Mundo. Proyección Capacidad Energía Nuclear Siglo XXI GWe 12000 11045 Reducción emisiones de CO2 10000 en el periodo 8000 6000 Alto= 1286 millones de TCO2 Bajo= 356 millones de TCO2 4000 2000 2060 367 0 2008 20 30 40 50 60 70 80 90 2100 Escenario Alto Escenario Bajo Fuente: World Nuclear Association Elaboración: Nelson Hernandez
Mundo. Capacidad Generación Eléctrica con Base Nuclear (GW) 2008 Proyección al 2100 (caso Alto) Estados Unidos 99 China 2800 Francia 63 India 2750 Japón 48 Estados Unidos 1200 Rusia 22 Brasil 330 Alemania 20 México 225 Corea del Sur 18 Japón 200 Ucrania Canadá 13 13 Total = 367 Rusia Pakistán 200 180 Total = 11045 Inglaterra 11 Indonesia 175 China 9 Condominio Golfo (*) 175 Otros 51 Otros 2810 (*) Bahrain, Kuwait, Omar, Qatar, Arabia Saudita y Emiratos Árabes Fuente: World Nuclear Association Elaboración: Nelson Hernandez
Latinoamérica. Energía nuclear en el siglo XXI De acuerdo a la información de la WNA, para el año 2100 solo tendrán generación eléctrica-nuclear en Latinoamérica los siguientes países, y cuya capacidad esta expresada en GWe: Brasil (330) México (225) Argentina (90) Venezuela (60) Chile (38).
Flujo de efectivo ilustrativo para una planta eléctrica nuclear Fuente: ININ (México)
Estructura del costo de producción de 1 Kwh Conversión (4%) Enriquecimiento (38%) Fabricación (12%) 12 % 75 % 67 % 50 % 30 % 10 % 15 % 15 % 18 % 20 % 30 % 58 % Materia Prima [Uranio] (46%) Gas Petróleo Carbón Nuclear Inversión Operación + mantenim. Combustible Fuente: World Nuclear Association Elaboración: Nelson Hernandez
$/Kw instalado 4140 5200 1000 Costo* Generación de Electricidad ($/Kwh) Torre Solar + Paneles PV 0.044 Torre Solar 0.052 Planta a Gas 0.131 7930 6750 6165 8250 Solar Concentrada (PV) Parque Eólico Geotérmica Maremotriz 0.143 0.145 0.153 0.156 1300 12000 3750 2900 Planta a Carbón 0.161 Solar PV 0.250 Nuclear 0.263 Carbón (75 % de secuestro) 0.265 (*) Considera costo de la tonelada de emisión de CO2 (50 $/tonelada) Elaboración: Nelson Hernández
Planta nuclear Vattenfall (Alemania) Video: La energía nuclear
Una solución energética para la humanidad Fusión Nuclear ITER
Fusión nuclear: Es una reacción en la que se unen dos núcleos ligeros para formar uno más pesado. La reacción más fácil de conseguir el la del deuterio (un protón más un neutrón) y tritio (un protón y dos neutrones) para formar helio (dos neutrones y dos protones) y un neutrón, liberando una energía de 17,6 MeV. Es una fuente de energía prácticamente inagotable, ya que el deuterio se encuentra en el agua de mar y el tritio es fácil de producir a partir del neutrón que escapa de la reacción. ITER: (International Thermonuclear Experimental Reactor) cuyo objetivo es el desarrollo de la fusión nuclear. Los científicos que laboran en esta tecnología, indican que estará disponible para un uso masivo a mediados de 2030, lográndose así una fuente energética abundante o casi infinita y que no contamina el ambiente. De conseguirse la fusión nuclear controlada a gran escala, una milla cúbica de agua contendría la misma energía que todos los yacimientos petroleros conocidos y los que se estiman sin descubrir. El ITER esta situado en Cadarache, al sur de Francia, y se estima que inicie operaciones en el 2014.
Ventajas de la fusión nuclear La fusión nuclear es un recurso energético potencial a gran escala, que puede ser muy útil para cubrir el esperado aumento de demanda de energía a nivel mundial, en el siglo XXI. Los combustibles primarios son baratos, abundantes, no radioactivos y repartidos geográficamente de manera uniforme (el agua de los lagos y los océanos contiene hidrógeno pesado suficiente para millones de años, al ritmo actual de consumo de energía). Sistema intrínsecamente seguro: el reactor sólo contiene el combustible para los diez segundos siguientes de operación. Además el medio ambiente no sufre ninguna agresión: no hay contaminación atmosférica que provoque la "lluvia ácida" o el "efecto invernadero". La radiactividad de la estructura del reactor, producida por los neutrones emitidos en las reacciones de fusión, puede ser minimizada escogiendo cuidadosamente los materiales, de baja activación. Por tanto, no es preciso almacenar los elementos del reactor durante centenares y millares de años.
Venezuela. Hitos de la evolución aplicación energía nuclear 1955. Instalación del primer reactor nuclear en el Instituto Venezolano de Neurología e Investigaciones Cerebrales (IVNIC) 1959. Se crea el Instituto Venezolano de Investigaciones Científicas (IVIC) 1989. Se crea la empresa "Quimbiotec", cuyo objetivo inicial era producir medicamentos derivados del plasma sanguíneo humano. La fase de producción de albúmina comenzó en 1998 y de gammaglobulinas en 1999 2001. Se inicia el proyecto para la conversión reversible del reactor en la Planta de Irradiación de Rayos Gamma (PEGAMMA), inaugurada en el 2004
Venezuela en la geopolítica de la energía nuclear En los últimos 6 años Venezuela ha entrado en el juego de la geopolítica nuclear, motivado a: Relaciones muy estrechas con Irán, actualmente cuestionado por la comunidad internacional por sus proyectos nucleares Relaciones con países vetados internacionalmente considerados protectores del terrorismo Firma de convenios de asistencia en energía nuclear con países no amigables de los Estados Unidos Exploración y explotación de recursos de uranio por Rusia e Irán en territorio venezolano
Venezuela. Recursos de uranio Existe un informe realizado en el primer gobierno de Carlos Andrés Pérez donde se establecía la existencia de reservas de uranio en la Formación Úrico, en la confluencia de los ríos Úrico y Chicarán, en el Distrito Roscio, a unos 200 Km. al noreste del Salto Ángel, las cuales eran consideradas de alto enriquecimiento por la presencia de mas de 20 % de uranio (235). También, la evaluación indicaba otras formaciones mucho más al sur, cercanas al limite de los estados Bolívar y Amazonas, en Río Negro. Las reservas se estiman en 50 mil toneladas Rio Negro
Lecciones aprendidas Motivado a factores económicos, ambientales y geopolíticos la energía nuclear renace como la energía primordial para la generación de electricidad en el siglo XXI La fusión nuclear es el tipo de energía que espera la humanidad a partir de la segunda mitad del siglo XXI La energía nuclear siempre será objeto de antagonismo en la geopolítica mundial, entre los que dominan la energía y los que desean dominarla Por la estrecha relación que tiene el gobierno venezolano con el de Irán, Venezuela ha sido incluida en el juego nuclear mundial
UNA MIRADA A LA ENERGIA NUCLEAR Charla ante la Academia Nacional de Ingeniería y Hábitat Muchas Gracias Ing. Nelson Hernández Blog: Gerencia y Energia Enero, 2010