RETOS ENERGÉTICOS EN EL SIGLO XXI: LA ENERGÍA NUCLEAR COMO PARTE DE LA
SOLUCIÓN
“Opciones de futuro y tecnologías en desarrollo”
Universidad Internacional Menéndez PelayoSantander 21 julio 2005
Luis Gutiérrez JodraVicepresidente, Real Academia de Ciencias
SUSTITUCIÓN DE DERIVADOS DEL PETRÓLEO Y GAS NATURAL
Gasolina, gasóleosCompuestos orgánicos de base
Alcoholes (zeolitas)Ácidos, incluidos los grasos (ésteres)
2. Mediante biomasa
ButanoGas naturalCompuestos orgánicos de base
Gasolina, gasóleos yAceitesCompuestos orgánicos de base
Gas del alumbradoGas ciudadCon CaO. Carburo Cálcico
Acetileno (procesos Reppe)Cianamida
Con hidrógeno *Procesos Bergius y Fischer-Tropsch
Con agua. Gas de síntesis (CO+H2)
Sustituido1. Mediante carbón
• El hidrógeno puede obtenerse con pilas fotovoltaicas, mediante reactoresnucleares de alta temperatura y por electrolisis de agua
EMISIONES GLOBALES DE CO2
1990Otros países de la OCDE
12%Comunidad
Europea; 12%
Estados Unidos; 26%
Rusia y Europa del Este; 21%
Otros países en desarrollo;
15%
India; 3%China; 11%
2050
Rusia y Europa del Este; 15%
Estados Unidos; 12%
Comunidad Europea; 9%
Otros países de la OCDE; 6%
Otros países en desarrollo; 21%
India; 9%
China; 28%
Total: 5,9 G t de C Total: 12 G t de C
Fuente: Consejo Mundial de la Energía
EMISIONES PRODUCIDAS POR 1 KWH EN TODO SU CICLO DE VIDA
12-1907016-34024-49013-731Solar photovoltaic
5-35014-5021-877-124Wind
217-3200701-195012-14015-101Biomass forestrywastecombustion
1-1072-16413+-15004-15 000389-511Natural gas (combined cycle)
202-1003-502-59Nuclear
30-663+18-29700-5 273+700-32 321+790-1 182Coal-modernplant
503-425-602-48Hydropower
Particulatemattermiligram/kWh
NMVOCMiligram /kWh
NOxemissionsmiligram/kWh
SO2 Emissionsmiligram/kWh
Greenhouse gas emissionsCO2/kWh
GenerationOption
ALMACENAMIENTO DE CARBONO
90Consumo de combustibles
7Emisión anual
16-100
2-15
Biomasamaderahojas yminerales
700Biomasa10-200Suelo800Atmósfera
1,9x102-1,5x104
Inyección en subsuelo
2.000Suelo
6x104 -2x105
1,5x104-5x104
1,7x102-9x102
Carbonatos minerales
Océano neutroácido
40.000Océano
Tiempo, añosCapacidad, Gt
MÉTODOS PARA REDUCIR LAS EMISIONES DE CO2 (I)
• Eficiencia y conservación– Transporte.
• Mejora en el rendimiento del combustible • Menor uso de vehículos privados
– Viviendas.• Edificios más eficientes en calefacción y aire acondicionado.
– Mejora de rendimiento de las centrales generadoras de electricidad.
– Cambios en la generación de electricidad.
• Decarbonización• Gas natural en vez de carbón• Separación y almacenamiento de CO2 en centrales• Separación y almacenamiento de CO2 en fábricas de hidrógeno• Separación y almacenamiento de CO2 en fábricas de singas• Energía nuclear• Energía eólica• Energía fotovoltaica y otras renovables
MÉTODOS PARA REDUCIR LAS EMISIONES DE CO2 (II)
• Empleo del hidrógeno– Hidrógeno de energías renovables– Hidrógeno de energía nuclear
• Secuestro de CO2– Yacimientos de petróleo y carbón; cavernas, simas
y minas subterráneas– Mares y Océanos
• Otros– Plantas y bosques– Suelos
SECUESTRO DE DIÓXIDO DE CARBONO (I)
Métodos directos:– Vertido en tierra
• Simas, minas antiguas, acuíferos– Vertido en el mar
• Conducción por tubería (mezcla)– Gibraltar, sur de Noruega, mar de Weddell
(Antártida)• Situación en fondos profundos (clatratos)
– Simas, fondos marinos
SECUESTRO DE DIÓXIDO DE CARBONO (II)
Métodos indirectos:– Sembrar con hierro el mar (plancton)– Plantar árboles y aumentar el contenido de
materia orgánica en el sueloMétodos auxiliares:– Emplear oxígeno en vez de aire– Absorber CO2 del aire
Soluciones ideales:– Emisión cero de CO2– Empleo práctico de CO2
PROYECTOS DE SECUESTRO DE CO2
En operación
Vetas de carbón
3.000PoloniaRecopol
Fase pilotoAcuífero salino
3.000Estados Unidos
Frío
En preparación
Acuífero salino
125 millones
AustraliaGorgon
Funciona en 2004
Campo de gas natural
18 millonesArgeliaIn Salah
Completada la fase I
Yacimiento de petróleo
20 millonesCanadáWeyburn
En operación
Campo de gas natural
20 millonesMar del Norte
Steipner
EstadoOrigenCO2 a inyectar, (t)
UbicaciónProyecto
PRODUCCIÓN DE RESIDUOS EN ESPAÑA M ton/año (I)
Alta Actividad 0,0013
Baja y Media actividad 0,017
0,018RadiactivosPeligrosos 4Inertes 11
15Industriales17Forestales70Mineros
127AgropecuariosIndustriales
22Escombros y excavaciones10Lodos y tratamiento de aguas15Domésticos
Urbanos
PRODUCCIÓN DE RESIDUOS EN ESPAÑA M ton/año (II)
0,010CFC0,003Plomo1Partículas
2Orgánicos volátiles1NOx
3SO2
4CO276CO2
Gaseosos
REPROCESO DE COMBUSTIBLES GASTADOS POR VÍA ACUOSA
U Pu Np Te I Am Cm
Residuos de alta actividad Am+ CmAm +Ln+Cm
Productos Ln***de fisión
Productos defisión a vitrificar
Purex* Sesame**
Diamex** Sanex**
Calixarenos
*TBP **Moléculas quelantes selectivas ***Lantánidos
Cs
ANÁLOGOS NATURALES
- Vidrios basálticos - ZirconolitasVidrio y SYNROC
- Bühl (Alemania) - Hyrkköla (Finlandia)Hierro y Cobre
-Granito de Auriat - Plutón de East Bull Lake-(Francia) (Canadá)
Sistemas hidrotermales
-Condados de Li An - Murakami (Japón)-y An Ji (China)
Materiales arcillosos
- Lonch Lomond (UK) - Gorleben (Alemania)Estudios en sedimentos
- Shinkolobwe (Zaire) - Lianshanguan (Chjina)Yacimientos de uranio
Otros análogos- Omán - Maqrin (Jordania)Ambientes hiperalcalinos
- Kinnekulle (Suecia) - Dunarobba (Italia)Análogos arcillosos
- Poços de Caldas Brasil - Oklo (Gabón) - Koongarra (Australia) - Cigar Lake (Canadá)- Palmottu (Finlandia) - El Berrocal (España)
Yacimientos de uranio
Análogos principales
Análogo naturalTipo de sistema geológico
COMPARACIÓN DE CARACTERÍSTICAS DE CELDAS FOTOVOLTÁICAS
n.dn.d29,239Con concentrador
n.dn.d27,628Arseniuro de Galio
n.dn.d16,419Diseleniuro de Cobre e Indio
n.d615,827Telururo de Cadmiopolicristalino en película fina
3-54-61317Silicio amorfo(incluyendo aleaciones de Silicio)
5-813-1528´237Con concentrador
4-712-1423,530Silicio monocristalino
Coste, 3Dólares por Watio pico
EficaciaComercial,
%
Eficacia deLaboratorio, 2
%
Eficacia Teórica, 1
%
Material
1. La eficacia teórica se evalúa a nivel terrestre a una latitud de 45º N y temperatura ambiente de 20º C.2. Eficacia de laboratorio es la relación de la energía eléctrica que produce una celda expuesta a la luz
solar directa a la energía de la luz incidente sobre la celda.3. El coste se refiere a sólo el módulo solar y no refleja el balance del sistema que en la mayoría de los
casos duplica aproximadamente el coste total.3. n.d no disponible
PRESENTE Y FUTURO DE LOS MÓDULOS FOTOVOLTAICOS DE SILICIO
151030253025Vida útil de un módulo, años
8401.2003.1006.000 a13.900
2.6004.200 a11.600
Energía primaria para la fabricación de módulos, MJ/m2
10%6%14,8%12,7%14,5%12,1%Rendimiento de módulo
--18%15,5%16%14%Rendimiento de célula
FuturoPresenteFuturoPresenteFuturoPresente
AmorfosMonocristalinosPolicristalinos
EFICIENCIA CONVERSIÓN FOTOVOLTAICA
2015,59,7CIS
2015,8,77,25CdTe12,010,06,80
2012,710,25,90Si amorfoLámina delgada
2014,511,2s/cerámica2217,217,012,00poli
282623,120,915,30monoSilicio
Concentraciónlaboratorio
Límite teórico
estimado
Mejor I+Dcélula
laboratorio
Mejor pie cuadrado fabricado
Mayor módulo
comercial estándar
Tecnología
Fuente:Resultados obtenidos por fabricantes europeos, EE.UU.Japón, etc. Otras células con concentración alcanzan en laboratorio el 37%
SUPERCONDUCTIVIDAD• Tipo I. Sólo actúa la superficie. No aparece con campos magnéticos débiles.• Tipo II. Conducen corrientes intensas con campos magnéticos muy fuertes.
Temperatura crítica (Tc). Para T<Tc pierden resistencia. Depende de campo magnético y de estructura.
39Mg Br22001
NitrógenoId.Id.
3092>130>108
La Ba2 Cu O4
*YBa2 Cu2 Ox
Hg2 Ba2 Ca2 Cu3 Ox
*(Bi, Pb)2 Sr2 Ca2 Cu3 O2
1986
Id.Id.
->10
9,018,023
Nb-TiNb3 SnNb3 Ge
Años siguientes
Helio líquido8,81,2Nb Sn1931
RefrigeraciónCampo magnético tesla
T KCompuestoAño
* Utilizados prácticamente.Todos los compuestos son cerámicos
METODOS DE PRODUCCIÓN (I)
Altas Temperaturas. Ciclos.
H2O H2 + ½O2
Electrolisis
H2O H+ + OH-
2H+ + 2e H2
2OH- - 2e H2O + ½ O2
Combustibles fósiles
CCH4 + H2O CO2 + H2
-CH2-
Fotoprocesos radiación
hעγ + H2O H2 + ½ 02
METODOS DE PRODUCCIÓN (II)
HH22SOSO44 SOSO22 + H+ H22OO
2HI2HI CALORCALOR II22
Ciclo AzufreCiclo Azufre--Yodo de producción de hidrógenoYodo de producción de hidrógeno
CALORCALOR
AGUAAGUA
EL H
IDR
OG
ENO
METODOS DE PRODUCCIÓN (III)
• Reactores de alta temperatura refrigerados por gas.
Gas: Helio
Combustible: UO2; UO2 – PuO2 (MOX)
• Reactores reproductores rápidos.
Refrigerante: Na, NaK, PB, Pb-Bi
Combustible: UO2; UO2 – PuO2; Nitruros-carburos de U y Pu
• Acelerador – Reactor subcrítico.
Refrigerante: Pb, Pb-Bi
Combustible: UO2; ThO2
METODOS DE PRODUCCIÓN (IV)EL
HID
RO
GEN
O
ALMACENAMIENTO, TRANSPORTE Y DISTRIBUCIÓN (I)
• COMO GAS
Depósitos (Presiones baja o alta)
Absorción en Carbón
Hidrocarburos Líquidos
Adsorción en Carbón Activo
Nanotubos
Formación de compuestos
Li Al H4, Li B H4, Na Al H4, Na B H4, K B H4
Mg H2, Fe Ti H1,7, La NI5 H6, Ba Re H9, Mg2 Ni H2
• COMO LÍQUIDO
Depósitos criogénicos.
ALMACENAMIENTO, TRANSPORTE Y DISTRIBUCIÓN
(II)EL
HID
RO
GEN
O
LA PILA DE COMBUSTIBLE (I)
H2
O2
Apilamiento de varias pilas
Componentes de una pila
Hidrógeno
Oxígeno
Electrodo-catalizador
Electrodo-catalizador
Electrolito
Producción de electricidad, cogeneración
H2S>1ppmNi/Perovskitas750-1050Oxido sólido(Zr02-Y2O3)
De óxido sólido(SO)
Producción de electricidad, cogeneración
H2S>0,5ppmNi/LiNiOx650Carbonatosfundidos(Li,K,Na)
De carbonatofundido (MC)
Producción de electricidad,
Cogeneración,Automoción
CO>1%H2S>50ppm
Pt180-200H3PO4(85-100%)
De ácidofosfórico (PA)
Portátil, automoción
Compuestosintermedios
Pt50-90(< 130)
MembranaDe metanol(DM)
Portátil, automoción
CO>10 ppmPt50-90MembranaDe membrana y cambio de
protón(PEM)
EspacialesCO1 CO2Pt,Ni/NiOx50-250KOH (8-12 N)
Alcalina (A)
AplicacionesVenenosCatalizadorTemperatura, º CElectrolitoPila
LA PILA DE COMBUSTIBLE (II)
ESSENCIAL CHARACTERISTICS OF THE DIFFERENT
TYPES OF FUEL CELLS
Power generation,
cogeneration
Power generation,
cogeneration
Power generation,
cogeneration, transportation
SpacePortable,
transportation
Portable, transporta
tionApplications
H2S > 1 ppmH2S >0.5
ppmCO > 1% H2S >
50 ppmCO, CO2
Adsorbed intermediates
CO> 10 pmm
Poison
H2 and CO reformed and
CH4
H2 and CO reformed and
CH4
H2 (reformed)H2CH3OH
H2(pure or
reformed)Fuel
Ni/Perovskites
Ni/LiNiOXPtPt, Ni/NiOXPtPtElectrocatalyst
O2-CO23H+OH-H+H+Charge carrier
750-1050ºC650ºC180-200ºC
50-250ºC50-90ºC (≤130ºC)
50-90ºCOperating temperature
Solid Oxyde(ZrO2- Y2O3)
Molten carbonates (Li, K, Na)
Phosphoric acid (85% - 100%)
Potassiumhydroxide(8-12N)
Protonexchange
membrane
Protonexchange
membraneElectrolite
SOFCMCFCPAFCAFCDMFCPEMFCCharacteristics
FUELS CELLS COMPARED
Units up to 100 kilowatts have
been demonstrated
Demonstration systems up to 2
megawatts
Commercial systems operating,
most of them 200-kilowatt; an
11-megawatt model has been
tested
Demonstration systems up to 50 kilowatts; 250-kilowatt units
expected in next few years
Status ofdevelopment
Greater than 60Greater than 6040 to 5040 to 50Efficency (%)
Perovskites(Titanate of
calcium)NickelPlatinumPlatinumCatalyst
CeramicStasinless steelGraphite – basedCarbon-basedPrime cellcomponents
Internal orexternal
Internal orExternal
ExternalExternalReformer
Oxygen IonCarbonate IonHydrogen ionHydrogen ionCharge carrier
800-1.000ºC650ºCAround 200ºC80º CelsiusOperatingTemperature
Solid-oxide ceramic
Molten carbonatePhosphoric acidProton-exchangemembrane
Electrolite
TECHNICAL STATUS OF FUEL CELL TECHNOLOGIES
General purposeR&D800-1000MethaneSolid Oxide
General purposeDemonstrated/R&
D650-700Methane
Molten Carbonate
Dispersed utility power
generationDemonstrated200H2Phosphoric Acid
Small unitsDemonstrated/
Commercial100H2 & OxygenSolid polymer
Small units in residences,
transportation and space flights
Commercial80-100H2Alkaline
ApplicationIssues
TechnologicalStatus
OperatingTemperature (ºC)
FuelType ofElectrolyte
COMPARACIÓN DE RENDIMIENTOS
EL H
IDR
OG
ENO
EL H
IDR
OG
ENO
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