El desarrollo energético es el campo de actividades enfocadas a la obtención de fuentes de energía a partir de recursos naturales. Estas actividades incluyen la producción de fuentes de energía renovables , nucleares y derivadas de combustibles fósiles , y la recuperación y reutilización de energía que de otro modo se desperdiciaría. Las medidas de conservación y eficiencia energética reducen la demanda de desarrollo energético y pueden tener beneficios para la sociedad al mejorar las cuestiones ambientales .
Las sociedades utilizan la energía para el transporte, la fabricación, la iluminación, la calefacción y el aire acondicionado, y las comunicaciones, con fines industriales, comerciales y domésticos. Los recursos energéticos pueden clasificarse como recursos primarios, cuando el recurso puede utilizarse prácticamente en su forma original, o como recursos secundarios, cuando la fuente de energía debe convertirse en una forma más fácil de utilizar. Los recursos no renovables se agotan considerablemente con el uso humano, mientras que los recursos renovables se producen mediante procesos continuos que pueden sostener la explotación humana indefinida.
Miles de personas trabajan en la industria energética . La industria convencional comprende la industria petrolera , la industria del gas natural, la industria de la energía eléctrica y la industria nuclear . Las nuevas industrias energéticas incluyen la industria de la energía renovable , que comprende la fabricación, distribución y venta de combustibles alternativos y sostenibles .
Los recursos energéticos pueden clasificarse como recursos primarios, adecuados para su uso final sin conversión a otra forma, o recursos secundarios, en los que la forma utilizable de energía requiere una conversión sustancial a partir de una fuente primaria. Ejemplos de recursos energéticos primarios son la energía eólica , la energía solar , el combustible de madera, los combustibles fósiles como el carbón, el petróleo y el gas natural, y el uranio. Los recursos secundarios son aquellos como la electricidad, el hidrógeno u otros combustibles sintéticos.
Otra clasificación importante se basa en el tiempo necesario para regenerar un recurso energético. Los recursos "renovables" son aquellos que recuperan su capacidad en un tiempo significativo para las necesidades humanas. Algunos ejemplos son la energía hidroeléctrica o la energía eólica, cuando los fenómenos naturales que son la fuente primaria de energía son continuos y no se agotan por las demandas humanas. Los recursos no renovables son aquellos que se agotan significativamente por el uso humano y que no recuperarán su potencial de manera significativa durante la vida humana. Un ejemplo de una fuente de energía no renovable es el carbón, que no se forma naturalmente a un ritmo que permita el uso humano.
Las fuentes de combustibles fósiles ( combustibles fósiles primarios no renovables ) queman carbón o combustibles de hidrocarburos , que son los restos de la descomposición de plantas y animales. Hay tres tipos principales de combustibles fósiles: carbón, petróleo y gas natural . Otro combustible fósil, el gas licuado de petróleo (GLP), se deriva principalmente de la producción de gas natural. El calor de la quema de combustibles fósiles se utiliza directamente para la calefacción de espacios y procesos, o se convierte en energía mecánica para vehículos, procesos industriales o generación de energía eléctrica . Estos combustibles fósiles son parte del ciclo del carbono y permiten que se libere la energía solar almacenada en el combustible.
El uso de combustibles fósiles en los siglos XVIII y XIX preparó el terreno para la Revolución Industrial .
Los combustibles fósiles constituyen la mayor parte de las fuentes de energía primaria actuales del mundo . En 2005, el 81% de las necesidades energéticas mundiales se satisfacían con fuentes fósiles. [4] La tecnología y la infraestructura para el uso de combustibles fósiles ya existen. Los combustibles líquidos derivados del petróleo proporcionan mucha energía utilizable por unidad de peso o volumen, lo que resulta ventajoso en comparación con fuentes de menor densidad energética, como las baterías . Los combustibles fósiles son actualmente económicos para el uso descentralizado de la energía.
La dependencia energética de los combustibles fósiles importados crea riesgos de seguridad energética para los países dependientes. [5] [6] [7] [8] [9] La dependencia del petróleo en particular ha llevado a la guerra, [10] la financiación de radicales, [11] la monopolización, [12] y la inestabilidad sociopolítica. [13]
Los combustibles fósiles son recursos no renovables, cuya producción disminuirá con el tiempo [14] y se agotarán. Si bien los procesos que crearon los combustibles fósiles continúan, los combustibles se consumen mucho más rápido que la tasa natural de reposición. La extracción de combustibles se vuelve cada vez más costosa a medida que la sociedad consume los depósitos de combustible más accesibles. [15] La extracción de combustibles fósiles da lugar a la degradación ambiental , como la minería a cielo abierto y la remoción de la cima de las montañas para obtener carbón.
La eficiencia del combustible es una forma de eficiencia térmica , es decir, la eficiencia de un proceso que convierte la energía potencial química contenida en un combustible portador en energía cinética o trabajo . La economía de combustible es la eficiencia energética de un vehículo en particular, y se expresa como una relación entre la distancia recorrida y la unidad de combustible consumido. La eficiencia específica del peso (eficiencia por unidad de peso) puede expresarse para el transporte de mercancías y la eficiencia específica de los pasajeros (eficiencia del vehículo) por pasajero. La combustión atmosférica ineficiente (quema) de combustibles fósiles en vehículos, edificios y centrales eléctricas contribuye a las islas de calor urbanas . [16]
La producción convencional de petróleo alcanzó su punto máximo , de manera conservadora, entre 2007 y 2010. En 2010, se estimó que se requeriría una inversión de 8 billones de dólares en recursos no renovables para mantener los niveles actuales de producción durante 25 años. [17] En 2010, los gobiernos subvencionaron los combustibles fósiles en aproximadamente 500 mil millones de dólares al año. [18] Los combustibles fósiles también son una fuente de emisiones de gases de efecto invernadero , lo que genera preocupaciones sobre el calentamiento global si no se reduce el consumo.
La combustión de combustibles fósiles produce emisiones de contaminantes a la atmósfera. Los combustibles fósiles son principalmente compuestos de carbono. Durante la combustión se libera dióxido de carbono , óxidos de nitrógeno , hollín y otras partículas finas . El dióxido de carbono es el principal contribuyente al cambio climático reciente . [19] Otras emisiones de las centrales eléctricas de combustibles fósiles incluyen dióxido de azufre , monóxido de carbono (CO), hidrocarburos , compuestos orgánicos volátiles (COV), mercurio , arsénico , plomo , cadmio y otros metales pesados , incluidos rastros de uranio . [20] [21]
Una planta de carbón típica genera miles de millones de kilovatios hora de energía eléctrica al año. [22]
La energía nuclear es el uso de la fisión nuclear para generar calor y electricidad útiles . La fisión del uranio produce casi toda la energía nuclear económicamente significativa. Los generadores termoeléctricos de radioisótopos constituyen un componente muy pequeño de la generación de energía, principalmente en aplicaciones especializadas como los vehículos espaciales.
Las centrales nucleares , excluidos los reactores navales , proporcionaron alrededor del 5,7% de la energía mundial y el 13% de la electricidad mundial en 2012. [23]
En 2013, el OIEA informó que hay 437 reactores nucleares operativos, [24] en 31 países , [25] aunque no todos los reactores producen electricidad. [26] Además, hay aproximadamente 140 buques de guerra que utilizan propulsión nuclear en funcionamiento, alimentados por unos 180 reactores. [27] [28] [29] A partir de 2013, lograr una ganancia neta de energía a partir de reacciones de fusión nuclear sostenidas, excluyendo fuentes de energía de fusión natural como el Sol , sigue siendo un área en curso de investigación internacional en física e ingeniería . Más de 60 años después de los primeros intentos, la producción comercial de energía de fusión sigue siendo poco probable antes de 2050. [30]
Existe un debate en curso sobre la energía nuclear . [31] [32] [33] Los defensores, como la Asociación Nuclear Mundial , el OIEA y los ambientalistas por la energía nuclear, sostienen que la energía nuclear es una fuente de energía segura y sostenible que reduce las emisiones de carbono . [34] Los opositores sostienen que la energía nuclear plantea muchas amenazas para las personas y el medio ambiente . [35] [36]
Los accidentes en plantas de energía nuclear incluyen el desastre de Chernóbil (1986), el desastre nuclear de Fukushima Daiichi (2011) y el accidente de Three Mile Island (1979). [37] También ha habido algunos accidentes de submarinos nucleares. [37] [38] [39] En términos de vidas perdidas por unidad de energía generada, el análisis ha determinado que la energía nuclear ha causado menos muertes por unidad de energía generada que las otras fuentes principales de generación de energía. La producción de energía a partir de carbón , petróleo , gas natural y energía hidroeléctrica ha causado un mayor número de muertes por unidad de energía generada debido a la contaminación del aire y los efectos de los accidentes energéticos . [40] [41] [42] [43] [44] Sin embargo, los costos económicos de los accidentes de energía nuclear son altos y las fusiones pueden tardar décadas en limpiarse. Los costos humanos de las evacuaciones de las poblaciones afectadas y la pérdida de medios de vida también son significativos. [45] [46]
Comparación de las muertes por cáncer latente de origen nuclear , como el cáncer, con otras fuentes de energía ( muertes inmediatas por unidad de energía generada [GWeyr]). Este estudio no incluye el cáncer relacionado con los combustibles fósiles ni otras muertes indirectas creadas por el consumo de combustibles fósiles en su clasificación de "accidente grave", que sería un accidente con más de 5 víctimas mortales.
En 2012, según el OIEA , en todo el mundo había 68 reactores nucleares civiles en construcción en 15 países, [24] aproximadamente 28 de los cuales en la República Popular China (RPC), y el reactor nuclear más reciente, a mayo de 2013, que se conectó a la red eléctrica , ocurrió el 17 de febrero de 2013, en la planta de energía nuclear de Hongyanhe en la RPC. [47] En los Estados Unidos, se están construyendo dos nuevos reactores de Generación III en Vogtle . Los funcionarios de la industria nuclear estadounidense esperan que cinco nuevos reactores entren en servicio para 2020, todos en plantas existentes. [48] En 2013, cuatro reactores antiguos y no competitivos se cerraron permanentemente. [49] [50]
En los últimos experimentos de extracción de uranio se utilizan cuerdas de polímero recubiertas de una sustancia que absorbe selectivamente el uranio del agua de mar. Este proceso podría permitir que el considerable volumen de uranio disuelto en el agua de mar se pudiera aprovechar para la producción de energía. Dado que los procesos geológicos en curso llevan uranio al mar en cantidades comparables a las que se extraerían mediante este proceso, en cierto sentido el uranio transportado por el mar se convierte en un recurso sostenible. [51] [52] [ ¿Relevante? ]
La energía nuclear es un método de generación de energía con bajas emisiones de carbono para producir electricidad. Un análisis de la literatura sobre la intensidad de las emisiones de su ciclo de vida total concluyó que es similar a las fuentes renovables en una comparación de las emisiones de gases de efecto invernadero (GEI) por unidad de energía generada. [53] [54] Desde la década de 1970, el combustible nuclear ha desplazado alrededor de 64 gigatoneladas de dióxido de carbono equivalente (GtCO2-eq) de gases de efecto invernadero , que de otro modo habrían resultado de la quema de petróleo, carbón o gas natural en centrales eléctricas de combustibles fósiles . [55]
El accidente nuclear de Fukushima Daiichi en Japón en 2011 , que ocurrió en un reactor diseñado en la década de 1960 , impulsó un replanteamiento de la seguridad nuclear y la política de energía nuclear en muchos países. [56] Alemania decidió cerrar todos sus reactores para 2022, e Italia ha prohibido la energía nuclear. [56] Después de Fukushima, en 2011 la Agencia Internacional de Energía redujo a la mitad su estimación de capacidad de generación nuclear adicional que se construiría para 2035. [57] [58]
Tras el desastre nuclear de Fukushima Daiichi de 2011 (el segundo peor incidente nuclear , que desplazó a 50.000 hogares después de que material radiactivo se filtrara al aire, el suelo y el mar [59]) y con los controles de radiación posteriores que llevaron a la prohibición de algunos envíos de verduras y pescado [60] , se publicó una encuesta mundial de apoyo público a las fuentes de energía realizada por Ipsos (2011) y se descubrió que la fisión nuclear era la menos popular [61].
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La economía de las nuevas centrales nucleares es un tema controvertido, ya que existen opiniones divergentes al respecto y las inversiones multimillonarias dependen de la elección de una fuente de energía. Las centrales nucleares suelen tener altos costos de capital para su construcción, pero bajos costos directos de combustible. En los últimos años se ha producido una desaceleración del crecimiento de la demanda de electricidad y la financiación se ha vuelto más difícil, lo que afecta a proyectos de gran envergadura, como los reactores nucleares, con costos iniciales muy elevados y ciclos de proyecto largos que conllevan una gran variedad de riesgos. [62] En Europa del Este, varios proyectos de larga data están teniendo dificultades para encontrar financiación, en particular Belene en Bulgaria y los reactores adicionales en Cernavoda en Rumania, y algunos posibles inversores se han retirado. [62] Cuando hay gas barato disponible y su suministro futuro es relativamente seguro, esto también plantea un problema importante para los proyectos nucleares. [62]
El análisis de la economía de la energía nuclear debe tener en cuenta quién asume los riesgos de las incertidumbres futuras. Hasta la fecha, todas las centrales nucleares en funcionamiento han sido desarrolladas por monopolios de servicios públicos de propiedad estatal o regulados [63] [64], en los que muchos de los riesgos asociados con los costos de construcción, el rendimiento operativo, el precio del combustible y otros factores eran asumidos por los consumidores en lugar de los proveedores. Muchos países han liberalizado ahora el mercado de la electricidad , en el que estos riesgos, y el riesgo de que surjan competidores más baratos antes de que se recuperen los costos de capital, son asumidos por los proveedores y operadores de las centrales en lugar de los consumidores, lo que lleva a una evaluación significativamente diferente de la economía de las nuevas centrales nucleares. [65]
Es probable que los costos aumenten para las plantas de energía nuclear en funcionamiento y las nuevas, debido al aumento de los requisitos de gestión del combustible gastado en el sitio y las amenazas elevadas de la base de diseño. [66] Si bien los primeros diseños de su tipo, como los EPR en construcción, están retrasados y superan el presupuesto, de los siete APR-1400 surcoreanos actualmente en construcción en todo el mundo, dos están en Corea del Sur en la planta de energía nuclear Hanul y cuatro están en el proyecto de construcción de una estación nuclear más grande del mundo a partir de 2016, en los Emiratos Árabes Unidos en la planta de energía nuclear planificada de Barakah . El primer reactor, Barakah-1, está completado en un 85% y está programado para conectarse a la red durante 2017. [67] [68] Dos de los cuatro EPR en construcción (en Finlandia y Francia) están significativamente retrasados y sustancialmente por encima del costo. [69]
La energía renovable se define generalmente como la energía que proviene de recursos que se reponen naturalmente en una escala de tiempo humana, como la luz solar , el viento , la lluvia , las mareas , las olas y el calor geotérmico . La energía renovable reemplaza a los combustibles convencionales en cuatro áreas distintas: generación de electricidad , agua caliente / calefacción de espacios , combustibles para motores y servicios de energía rurales (fuera de la red) .
Si se incluye el uso tradicional de biomasa, aproximadamente el 19% del consumo mundial de energía se debe a recursos renovables. [72] La producción de energía eólica se está convirtiendo en una fuente importante de energía renovable, lo que aumentará la capacidad mundial de energía eólica en un 12% en 2021. [73] Si bien no es el caso de todos los países, el 58% de los países de la muestra vincularon el consumo de energía renovable con un impacto positivo en el crecimiento económico. [74] A nivel nacional, al menos 30 naciones de todo el mundo ya cuentan con energía renovable que contribuye con más del 20% del suministro de energía. Se proyecta que los mercados nacionales de energía renovable seguirán creciendo con fuerza en la próxima década y más allá. [76]
A diferencia de otras fuentes de energía, las fuentes de energía renovable no están tan restringidas por la geografía. Además, el despliegue de energía renovable está generando beneficios económicos y combatiendo el cambio climático. La electrificación rural [75] se ha investigado en múltiples sitios y tiene efectos positivos en el gasto comercial, el uso de electrodomésticos y las actividades generales que requieren electricidad como energía. [76] El crecimiento de la energía renovable en al menos 38 países ha sido impulsado por las altas tasas de uso de electricidad. [77] El apoyo internacional para promover fuentes renovables como la solar y la eólica ha seguido creciendo.
Si bien muchos proyectos de energía renovable son de gran escala, las tecnologías renovables también son adecuadas para áreas rurales y remotas y países en desarrollo , donde la energía es a menudo crucial para el desarrollo humano . Para garantizar que el desarrollo humano continúe de manera sostenible, los gobiernos de todo el mundo están comenzando a investigar posibles formas de implementar fuentes renovables en sus países y economías. Por ejemplo, el Departamento de Energía y Cambio Climático del Gobierno del Reino Unido, Pathways 2050, creó una técnica de mapeo para educar al público sobre la competencia de tierras entre las tecnologías de suministro de energía. [78] Esta herramienta brinda a los usuarios la capacidad de comprender cuáles son las limitaciones y el potencial que tienen sus tierras y países circundantes en términos de producción de energía.
La hidroelectricidad es la energía eléctrica generada por la fuerza hidráulica , es decir, la fuerza de la caída o el flujo de agua. En 2015, la energía hidroeléctrica generó el 16,6 % de la electricidad total del mundo y el 70 % de toda la electricidad renovable [79] [ página necesaria ] y se esperaba que aumentara aproximadamente un 3,1 % cada año durante los siguientes 25 años.
La energía hidroeléctrica se produce en 150 países, y en 2010 la región de Asia y el Pacífico generó el 32% de la energía hidroeléctrica mundial. China es el mayor productor de energía hidroeléctrica, con 721 teravatios-hora de producción en 2010, lo que representa alrededor del 17% del consumo eléctrico nacional. En la actualidad existen tres plantas hidroeléctricas de más de 10 GW: la presa de las Tres Gargantas en China, la presa de Itaipú en la frontera entre Brasil y Paraguay y la presa de Guri en Venezuela. [80]
El costo de la energía hidroeléctrica es relativamente bajo, lo que la convierte en una fuente competitiva de electricidad renovable. El costo promedio de la electricidad de una planta hidroeléctrica de más de 10 megavatios es de 3 a 5 centavos de dólar por kilovatio-hora. [80] La energía hidroeléctrica también es una fuente flexible de electricidad, ya que las plantas pueden aumentar o disminuir su producción muy rápidamente para adaptarse a las cambiantes demandas de energía. Sin embargo, la construcción de represas interrumpe el flujo de los ríos y puede dañar los ecosistemas locales, y la construcción de grandes represas y embalses a menudo implica el desplazamiento de personas y vida silvestre. [80] Una vez que se construye un complejo hidroeléctrico, el proyecto no produce residuos directos y tiene un nivel de producción de dióxido de carbono , un gas de efecto invernadero, considerablemente menor que las plantas de energía alimentadas con combustibles fósiles . [81]
La energía eólica aprovecha la fuerza del viento para impulsar las aspas de las turbinas eólicas . Estas turbinas hacen girar los imanes , lo que crea electricidad. Las torres eólicas suelen construirse juntas en parques eólicos . Hay parques eólicos marinos y terrestres . La capacidad mundial de energía eólica se ha expandido rápidamente hasta los 336 GW en junio de 2014, y la producción de energía eólica representó alrededor del 4% del uso total de electricidad en todo el mundo y está creciendo rápidamente. [82]
La energía eólica se utiliza ampliamente en Europa , Asia y Estados Unidos . [83] Varios países han alcanzado niveles relativamente altos de penetración de la energía eólica, como el 21% de la producción de electricidad estacionaria en Dinamarca , [84] el 18% en Portugal , [84] el 16% en España , [84] el 14% en Irlanda , [85] y el 9% en Alemania en 2010. [84] [86] : 11 En 2011, en ocasiones más del 50% de la electricidad en Alemania y España provenía de energía eólica y solar. [87] [88] A partir de 2011, 83 países de todo el mundo están utilizando la energía eólica de forma comercial. [86] : 11
Muchos de los parques eólicos terrestres más grandes del mundo se encuentran en Estados Unidos , China e India . La mayoría de los parques eólicos marinos más grandes del mundo se encuentran en Dinamarca , Alemania y el Reino Unido . Los dos parques eólicos marinos más grandes actualmente son London Array de 630 MW y Gwynt y Môr .
La energía solar es la luz radiante y el calor del Sol que se aprovecha mediante una variedad de tecnologías como la energía solar para generar electricidad , la energía solar térmica (incluido el calentamiento solar de agua ) y la arquitectura solar . [96] [97] [98] Es una fuente esencial de energía renovable , y sus tecnologías se caracterizan ampliamente como solares pasivas o solares activas dependiendo de cómo capturen y distribuyan la energía solar o la conviertan en energía solar. Las técnicas solares activas incluyen el uso de sistemas fotovoltaicos , energía solar concentrada y calentamiento solar de agua para aprovechar la energía. Las técnicas solares pasivas incluyen orientar un edificio hacia el Sol, seleccionar materiales con masa térmica favorable o propiedades de dispersión de luz y diseñar espacios que hagan circular el aire de forma natural .
En 2011, la Agencia Internacional de Energía afirmó que "el desarrollo de tecnologías de energía solar asequibles, inagotables y limpias tendrá enormes beneficios a largo plazo. Aumentará la seguridad energética de los países al depender de un recurso autóctono, inagotable y en gran medida independiente de las importaciones, mejorará la sostenibilidad , reducirá la contaminación , disminuirá los costos de mitigación del calentamiento global ... estas ventajas son globales". [96] [99]Un biocombustible es un combustible que contiene energía proveniente de la fijación de carbono geológicamente reciente . Estos combustibles se producen a partir de organismos vivos . Ejemplos de esta fijación de carbono se dan en plantas y microalgas . Estos combustibles se producen mediante una conversión de biomasa (la biomasa se refiere a organismos vivos recientes, generalmente haciendo referencia a plantas o materiales derivados de plantas). Esta biomasa se puede convertir en sustancias que contienen energía conveniente de tres maneras diferentes: conversión térmica, conversión química y conversión bioquímica. Esta conversión de biomasa puede dar como resultado combustible en forma sólida , líquida o gaseosa . Esta nueva biomasa se puede utilizar para biocombustibles. Los biocombustibles han aumentado en popularidad debido al aumento de los precios del petróleo y la necesidad de seguridad energética .
El bioetanol es un alcohol elaborado por fermentación , principalmente a partir de carbohidratos producidos en cultivos de azúcar o almidón como el maíz o la caña de azúcar . La biomasa celulósica , derivada de fuentes no alimentarias, como árboles y pastos, también se está desarrollando como materia prima para la producción de etanol. El etanol se puede utilizar como combustible para vehículos en su forma pura, pero generalmente se utiliza como aditivo de gasolina para aumentar el octanaje y mejorar las emisiones de los vehículos. El bioetanol se usa ampliamente en los EE. UU. y en Brasil . El diseño actual de las plantas no prevé la conversión de la porción de lignina de las materias primas vegetales en componentes de combustible mediante fermentación.
El biodiésel se elabora a partir de aceites vegetales y grasas animales . El biodiésel se puede utilizar como combustible para vehículos en su forma pura, pero normalmente se utiliza como aditivo diésel para reducir los niveles de partículas, monóxido de carbono e hidrocarburos de los vehículos diésel. El biodiésel se produce a partir de aceites o grasas mediante transesterificación y es el biocombustible más común en Europa. Sin embargo, se están realizando investigaciones para producir combustibles renovables a partir de la descarboxilación [100]
En 2010, la producción mundial de biocombustibles alcanzó los 105 mil millones de litros (28 mil millones de galones estadounidenses), un 17% más que en 2009, [101] y los biocombustibles proporcionaron el 2,7% de los combustibles mundiales para el transporte por carretera, una contribución compuesta en gran medida por etanol y biodiésel. [ cita requerida ] La producción mundial de combustible de etanol alcanzó los 86 mil millones de litros (23 mil millones de galones estadounidenses) en 2010, con Estados Unidos y Brasil como los principales productores del mundo, representando juntos el 90% de la producción mundial. El mayor productor de biodiésel del mundo es la Unión Europea , que representa el 53% de toda la producción de biodiésel en 2010. [101] A partir de 2011, existen mandatos para mezclar biocombustibles en 31 países a nivel nacional y en 29 estados o provincias. [86] : 13–14 La Agencia Internacional de Energía tiene como meta que los biocombustibles cubran más de una cuarta parte de la demanda mundial de combustibles para el transporte para el año 2050, con el fin de reducir la dependencia del petróleo y el carbón. [102]
La energía geotérmica es la energía térmica generada y almacenada en la Tierra. La energía térmica es la energía que determina la temperatura de la materia. La energía geotérmica de la corteza terrestre se origina en la formación original del planeta (20%) y en la desintegración radiactiva de los minerales (80%). [103] El gradiente geotérmico , que es la diferencia de temperatura entre el núcleo del planeta y su superficie, impulsa una conducción continua de energía térmica en forma de calor desde el núcleo hasta la superficie. El adjetivo geotérmico tiene su origen en las raíces griegas γη (ge) , que significa tierra, y θερμος (thermos) , que significa caliente.
El calor interno de la Tierra es energía térmica generada por la desintegración radiactiva y la pérdida continua de calor durante la formación de la Tierra. Las temperaturas en el límite entre el núcleo y el manto pueden alcanzar más de 4000 °C (7200 °F). [104] La alta temperatura y presión en el interior de la Tierra hacen que algunas rocas se derritan y que el manto sólido se comporte plásticamente, lo que da como resultado que partes del manto se muevan hacia arriba por convección, ya que es más liviano que la roca circundante. La roca y el agua se calientan en la corteza, a veces hasta 370 °C (700 °F). [105]
La energía geotérmica, que se utiliza en fuentes termales para el baño desde el Paleolítico y para la calefacción de espacios desde la época de la antigua Roma, es más conocida actualmente por su uso en la generación de electricidad . En 2012, se utilizaron 11.400 megavatios (MW) de energía geotérmica en 24 países. [106] En 2010, se instalaron 28 gigavatios adicionales de capacidad de calefacción geotérmica directa para calefacción urbana, calefacción de espacios, spas, procesos industriales, desalinización y aplicaciones agrícolas. [107]
La energía geotérmica es rentable, fiable, sostenible y respetuosa con el medio ambiente [108], pero históricamente se ha limitado a zonas cercanas a los límites de las placas tectónicas . Los recientes avances tecnológicos han ampliado drásticamente la variedad y el tamaño de los recursos viables, especialmente para aplicaciones como la calefacción doméstica, lo que abre un potencial para su explotación generalizada. Los pozos geotérmicos liberan gases de efecto invernadero atrapados en las profundidades de la tierra, pero estas emisiones son mucho menores por unidad de energía que las de los combustibles fósiles. Como resultado, la energía geotérmica tiene el potencial de ayudar a mitigar el calentamiento global si se utiliza ampliamente en lugar de los combustibles fósiles.
Los recursos geotérmicos de la Tierra son teóricamente más que suficientes para satisfacer las necesidades energéticas de la humanidad, pero sólo una fracción muy pequeña puede ser explotada de forma rentable. La perforación y exploración de recursos en las profundidades es muy costosa. Las previsiones para el futuro de la energía geotérmica dependen de suposiciones sobre la tecnología, los precios de la energía, los subsidios y las tasas de interés. Los programas piloto como el Programa de Energía Verde con Opción de Clientes de EWEB [109] muestran que los clientes estarían dispuestos a pagar un poco más por una fuente de energía renovable como la geotérmica. Pero como resultado de la investigación asistida por el gobierno y la experiencia de la industria, el costo de generar energía geotérmica ha disminuido un 25% en las últimas dos décadas. [110] En 2001, la energía geotérmica costaba entre dos y diez centavos de dólar estadounidense por kWh. [111]
La energía marina renovable (ERM) o energía marina (también denominada a veces energía oceánica, energía oceánica o energía marina e hidrocinética) se refiere a la energía transportada por la energía mecánica de las olas oceánicas , las corrientes y las mareas , los cambios en los gradientes de salinidad y las diferencias de temperatura oceánica . La ERM tiene el potencial de convertirse en una fuente de energía confiable y renovable debido a la naturaleza cíclica de los océanos . [112] El movimiento del agua en los océanos del mundo crea una vasta reserva de energía cinética o energía en movimiento. Esta energía se puede aprovechar para generar electricidad para alimentar hogares, transporte e industrias.
El término energía marina engloba tanto la energía de las olas , es decir, la energía de las olas superficiales, como la energía de las mareas , es decir, la que se obtiene de la energía cinética de grandes masas de agua en movimiento. La energía eólica marina no es una forma de energía marina, ya que la energía eólica se deriva del viento, incluso si las turbinas eólicas se colocan sobre el agua. Los océanos tienen una enorme cantidad de energía y están cerca de muchas poblaciones concentradas, si no de la mayoría. La energía oceánica tiene el potencial de proporcionar una cantidad sustancial de nueva energía renovable en todo el mundo. [113]
La tecnología de energía marina se encuentra en su primera etapa de desarrollo. Para desarrollarse, la MRE necesita métodos eficientes de almacenamiento, transporte y captura de energía oceánica, para que pueda usarse donde sea necesario. [114] Durante el año pasado, países de todo el mundo comenzaron a implementar estrategias de mercado para comercializar MRE. Canadá y China introdujeron incentivos, como tarifas de alimentación (FiTs) , que son precios superiores a los del mercado para MRE que permiten a los inversores y desarrolladores de proyectos un ingreso estable. Otras estrategias financieras consisten en subsidios, subvenciones y financiación de asociaciones público-privadas (PPP) . Solo China aprobó 100 proyectos oceánicos en 2019. [115] Portugal y España reconocen el potencial de MRE para acelerar la descarbonización , que es fundamental para cumplir con los objetivos del Acuerdo de París . Ambos países se están centrando en subastas solares y eólicas marinas para atraer inversión privada, garantizar la rentabilidad y acelerar el crecimiento de MRE. [116] Irlanda ve a MRE como un componente clave para reducir su huella de carbono. El Plan de Desarrollo de Energía Renovable Offshore (OREDP) apoya la exploración y el desarrollo del importante potencial energético offshore del país. [117] Además, Irlanda ha implementado el Plan de Apoyo a la Electricidad Renovable (RESS) que incluye subastas diseñadas para brindar apoyo financiero a las comunidades, aumentar la diversidad tecnológica y garantizar la seguridad energética . [118]
Sin embargo, aunque la investigación está aumentando, ha habido preocupaciones asociadas con amenazas a mamíferos marinos, hábitats y cambios potenciales a las corrientes oceánicas. MRE puede ser una fuente de energía renovable para comunidades costeras ayudando a su transición de combustibles fósiles, pero los investigadores están pidiendo una mejor comprensión de sus impactos ambientales. [119] Debido a que las áreas de energía oceánica a menudo están aisladas tanto de la pesca como del tráfico marítimo, estas zonas pueden proporcionar refugio de los humanos y depredadores para algunas especies marinas. Los dispositivos MRE pueden ser un hogar ideal para muchos peces , cangrejos de río , moluscos y percebes ; y también pueden afectar indirectamente a las aves marinas y mamíferos marinos porque se alimentan de esas especies. De manera similar, tales áreas pueden crear un " efecto de arrecife artificial " al impulsar la biodiversidad cercana. La contaminación acústica generada por la tecnología es limitada, lo que también hace que los peces y mamíferos que viven en el área de la instalación regresen. [120] En el último informe sobre el estado de la ciencia sobre la MRE, los autores afirman que no hay pruebas de que los peces, los mamíferos o las aves marinas sufran daños por colisiones, contaminación acústica o campos electromagnéticos. La incertidumbre sobre su impacto ambiental se debe a la baja cantidad de dispositivos de MRE que hay actualmente en el océano, donde se recogen datos. [121]
El incentivo para utilizar energía 100% renovable, para electricidad, transporte o incluso para el suministro total de energía primaria a nivel mundial, ha sido motivado por el calentamiento global y otras preocupaciones ecológicas y económicas. El uso de energía renovable ha crecido mucho más rápido de lo que nadie había previsto. [122] El Grupo Intergubernamental de Expertos sobre el Cambio Climático ha dicho que existen pocos límites tecnológicos fundamentales para integrar una cartera de tecnologías de energía renovable para satisfacer la mayor parte de la demanda energética mundial total. [123] A nivel nacional, al menos 30 naciones de todo el mundo ya cuentan con energía renovable que contribuye con más del 20% del suministro de energía. Además, Stephen W. Pacala y Robert H. Socolow han desarrollado una serie de " cuñas de estabilización " que pueden permitirnos mantener nuestra calidad de vida al tiempo que evitamos un cambio climático catastrófico, y las "fuentes de energía renovable", en conjunto, constituyen el mayor número de sus "cuñas". [124]
Mark Z. Jacobson afirma que producir toda la nueva energía con energía eólica , solar e hidroeléctrica para 2030 es factible y que los acuerdos de suministro de energía existentes podrían ser reemplazados para 2050. Se considera que las barreras para implementar el plan de energía renovable son "principalmente sociales y políticas, no tecnológicas ni económicas". Jacobson dice que los costos de la energía con un sistema eólico, solar e hídrico deberían ser similares a los costos de la energía actual. [125]
De manera similar, en los Estados Unidos, el Consejo Nacional de Investigación independiente ha señalado que "existen suficientes recursos renovables nacionales para permitir que la electricidad renovable desempeñe un papel significativo en la generación futura de electricidad y, por lo tanto, ayude a enfrentar los problemas relacionados con el cambio climático, la seguridad energética y la escalada de los costos de la energía... La energía renovable es una opción atractiva porque los recursos renovables disponibles en los Estados Unidos, tomados en conjunto, pueden suministrar cantidades significativamente mayores de electricidad que la demanda interna total actual o proyectada". [126]
Entre los críticos del enfoque de la "energía 100% renovable" se encuentran Vaclav Smil y James E. Hansen . A Smil y Hansen les preocupa la variabilidad de la producción de energía solar y eólica, pero Amory Lovins sostiene que la red eléctrica puede hacer frente a esa situación, del mismo modo que habitualmente reemplaza las plantas de carbón y nucleares que no funcionan con otras que sí lo hacen. [127]
Google gastó 30 millones de dólares en su proyecto “Energía renovable más barata que el carbón” para desarrollar energía renovable y evitar un cambio climático catastrófico. El proyecto fue cancelado tras concluir que, en el mejor de los casos, si se producían rápidos avances en materia de energía renovable, las emisiones sólo podrían ser un 55 por ciento inferiores a las previstas para 2050 en materia de combustibles fósiles. [128]
Aunque aumentar la eficiencia del uso de la energía no es desarrollo energético en sí, puede considerarse dentro del tema del desarrollo energético ya que hace que las fuentes de energía existentes estén disponibles para realizar trabajo. [130] : 22
El uso eficiente de la energía reduce la cantidad de energía necesaria para proporcionar productos y servicios. Por ejemplo, el aislamiento de una casa permite que un edificio utilice menos energía de calefacción y refrigeración para mantener una temperatura agradable. La instalación de lámparas fluorescentes o tragaluces naturales reduce la cantidad de energía necesaria para la iluminación en comparación con las bombillas incandescentes . Las luces fluorescentes compactas utilizan dos tercios menos de energía y pueden durar entre 6 y 10 veces más que las luces incandescentes. Las mejoras en la eficiencia energética se logran con mayor frecuencia mediante la adopción de una tecnología o un proceso de producción eficientes. [131]
La reducción del consumo de energía puede ahorrar dinero a los consumidores, si el ahorro energético compensa el coste de una tecnología energéticamente eficiente. La reducción del consumo de energía reduce las emisiones. Según la Agencia Internacional de la Energía , una mayor eficiencia energética en los edificios , los procesos industriales y el transporte podría reducir la demanda energética mundial en 2050 a alrededor de un 8% menos que en la actualidad, pero abasteciendo a una economía más del doble de grande y a una población de unos 2.000 millones de personas más. [132]
Se dice que la eficiencia energética y la energía renovable son los pilares gemelos de la política energética sostenible. [133] En muchos países también se considera que la eficiencia energética tiene un beneficio para la seguridad nacional porque puede utilizarse para reducir el nivel de importaciones de energía de países extranjeros y puede desacelerar el ritmo al que se agotan los recursos energéticos nacionales.
Se ha descubierto que "en los países de la OCDE, la energía eólica, geotérmica, hidroeléctrica y nuclear tienen los índices de riesgo más bajos entre las fuentes de energía en producción". [134]
Si bien rara vez se descubren nuevas fuentes de energía o estas se hacen posibles gracias a nuevas tecnologías , la tecnología de distribución evoluciona continuamente. [135] El uso de celdas de combustible en automóviles, por ejemplo, es una tecnología de distribución anticipada. [136] En esta sección se presentan las diversas tecnologías de distribución que han sido importantes para el desarrollo histórico de la energía. Todas ellas dependen en cierta medida de las fuentes de energía enumeradas en la sección anterior.
El carbón , el petróleo y sus derivados se transportan por barco, ferrocarril o carretera. El petróleo y el gas natural también pueden transportarse por tuberías , y el carbón por tuberías de lodos . Los combustibles como la gasolina y el GLP también pueden transportarse por avión . Las tuberías de gas natural deben mantener una cierta presión mínima para funcionar correctamente. Los costos más elevados de transporte y almacenamiento de etanol suelen ser prohibitivos. [137]
Las redes eléctricas son las redes que se utilizan para transmitir y distribuir energía desde la fuente de producción hasta el usuario final, cuando ambos pueden estar a cientos de kilómetros de distancia. Las fuentes incluyen plantas de generación eléctrica como un reactor nuclear , una planta de energía que quema carbón, etc. Se utiliza una combinación de subestaciones y líneas de transmisión para mantener un flujo constante de electricidad. Las redes pueden sufrir apagones transitorios y caídas de tensión , a menudo debido a daños climáticos. Durante ciertos eventos meteorológicos espaciales extremos, el viento solar puede interferir con las transmisiones. Las redes también tienen una capacidad de carga o carga predefinida que no se puede superar de manera segura. Cuando los requisitos de energía exceden lo que está disponible, las fallas son inevitables. Para prevenir problemas, se raciona la energía.
Los países industrializados como Canadá, Estados Unidos y Australia se encuentran entre los mayores consumidores de electricidad per cápita del mundo, lo que es posible gracias a una red de distribución eléctrica generalizada. La red estadounidense es una de las más avanzadas, [ cita requerida ] aunque el mantenimiento de la infraestructura se está convirtiendo en un problema. CurrentEnergy proporciona una descripción general en tiempo real de la oferta y la demanda de electricidad para California , Texas y el noreste de los EE. UU. Los países africanos con redes eléctricas de pequeña escala tienen un consumo anual per cápita de electricidad correspondientemente bajo. Una de las redes eléctricas más potentes del mundo suministra energía al estado de Queensland , Australia.
La transferencia de energía inalámbrica es un proceso mediante el cual se transmite energía eléctrica desde una fuente de energía a una carga eléctrica que no tiene una fuente de energía incorporada, sin el uso de cables de interconexión. La tecnología disponible actualmente está limitada a distancias cortas y a un nivel de potencia relativamente bajo.
Los colectores de energía solar en órbita requerirían la transmisión inalámbrica de energía a la Tierra. El método propuesto implica la creación de un gran haz de ondas de radio de frecuencia de microondas, que se dirigiría a una antena colectora situada en la Tierra. Existen enormes desafíos técnicos para garantizar la seguridad y la rentabilidad de un plan de este tipo.
El almacenamiento de energía se lleva a cabo mediante dispositivos o medios físicos que almacenan energía para realizar una operación útil en un momento posterior. Un dispositivo que almacena energía a veces se denomina acumulador .
Todas las formas de energía son energía potencial (por ejemplo, energía química , gravitacional , energía eléctrica , diferencial de temperatura, calor latente , etc.) o energía cinética (por ejemplo, momento ). Algunas tecnologías proporcionan solo almacenamiento de energía a corto plazo, y otras pueden ser a muy largo plazo, como la energía a gas utilizando hidrógeno o metano y el almacenamiento de calor o frío entre estaciones opuestas en acuíferos profundos o lechos de roca. Un reloj de cuerda almacena energía potencial (en este caso mecánica, en la tensión del resorte), una batería almacena energía química fácilmente convertible para operar un teléfono móvil y una presa hidroeléctrica almacena energía en un depósito como energía potencial gravitacional . Los tanques de almacenamiento de hielo almacenan hielo ( energía térmica en forma de calor latente) por la noche para satisfacer la demanda máxima de refrigeración. Los combustibles fósiles como el carbón y la gasolina almacenan energía antigua derivada de la luz solar por organismos que luego murieron, quedaron enterrados y con el tiempo se convirtieron en estos combustibles. Incluso los alimentos (que se producen mediante el mismo proceso que los combustibles fósiles) son una forma de energía almacenada en forma química .
Desde la prehistoria, cuando la humanidad descubrió el fuego para calentar y asar los alimentos, pasando por la Edad Media en la que las poblaciones construyeron molinos de viento para moler el trigo, hasta la era moderna en la que las naciones pueden obtener electricidad dividiendo el átomo, el hombre ha buscado incansablemente fuentes de energía.
A excepción de la nuclear, la geotérmica y la maremotriz , todas las demás fuentes de energía provienen del aislamiento solar actual o de restos fósiles de vida vegetal y animal que dependían de la luz solar. En última instancia, la energía solar en sí misma es el resultado de la fusión nuclear del Sol . La energía geotérmica de la roca caliente y endurecida sobre el magma del núcleo de la Tierra es el resultado de la descomposición de materiales radiactivos presentes debajo de la corteza terrestre, y la fisión nuclear depende de la fisión provocada por el hombre de elementos radiactivos pesados en la corteza terrestre; en ambos casos, estos elementos se produjeron en explosiones de supernovas antes de la formación del Sistema Solar .
Desde el comienzo de la Revolución Industrial , la cuestión del futuro de los suministros energéticos ha sido de interés. En 1865, William Stanley Jevons publicó The Coal Question en el que vio que las reservas de carbón se estaban agotando y que el petróleo era un sustituto ineficaz. En 1914, la Oficina de Minas de Estados Unidos declaró que la producción total era de 5.700 millones de barriles (910.000.000 m3 ) . En 1956, el geofísico M. King Hubbert deduce que la producción petrolera estadounidense alcanzaría su pico entre 1965 y 1970 y que la producción de petróleo alcanzaría su pico "dentro de medio siglo" sobre la base de los datos de 1956. En 1989, Colin Campbell predijo el pico [138] . En 2004, la OPEP estimó que, con inversiones sustanciales, casi duplicaría la producción de petróleo para 2025 [139].
El movimiento ambientalista ha hecho hincapié en la sostenibilidad del uso y desarrollo de la energía. [140] La energía renovable es sostenible en su producción; el suministro disponible no disminuirá en el futuro previsible - millones o miles de millones de años. "Sostenibilidad" también se refiere a la capacidad del medio ambiente para hacer frente a los productos de desecho, especialmente la contaminación del aire . Las fuentes que no tienen productos de desecho directos (como la energía eólica, solar e hidroeléctrica) se mencionan en este punto. Con la creciente demanda mundial de energía, la necesidad de adoptar diversas fuentes de energía está aumentando. La conservación de la energía es un proceso alternativo o complementario al desarrollo energético. Reduce la demanda de energía al utilizarla de manera eficiente.
Algunos observadores sostienen que la idea de " independencia energética " es un concepto poco realista y opaco. [141] La oferta alternativa de "resiliencia energética" es un objetivo alineado con las realidades económicas, de seguridad y energéticas. La noción de resiliencia en materia de energía se detalló en el libro de 1982 Brittle Power : Energy Strategy for National Security . [142] Los autores argumentaron que simplemente cambiar a la energía doméstica no sería inherentemente seguro porque la verdadera debilidad es la infraestructura energética a menudo interdependiente y vulnerable de un país. Los aspectos clave como las líneas de gas y la red eléctrica a menudo están centralizados y son fácilmente susceptibles a interrupciones. Concluyen que un "suministro de energía resiliente" es necesario tanto para la seguridad nacional como para el medio ambiente. Recomiendan un enfoque en la eficiencia energética y la energía renovable que sea descentralizada. [143]
En 2008, el ex presidente y director ejecutivo de Intel Corporation, Andrew Grove , analizó la resiliencia energética, argumentando que la independencia total es inviable dado el mercado global de la energía. [144] Describe la resiliencia energética como la capacidad de adaptarse a las interrupciones en el suministro de energía. Para ello, sugiere que Estados Unidos haga un mayor uso de la electricidad. [145] La electricidad se puede producir a partir de una variedad de fuentes. Un suministro de energía diverso se verá menos afectado por la interrupción del suministro de una sola fuente. Argumenta que otra característica de la electrificación es que la electricidad es "pegajosa", lo que significa que la electricidad producida en Estados Unidos se queda allí porque no se puede transportar al extranjero. Según Grove, un aspecto clave para avanzar en la electrificación y la resiliencia energética será convertir el parque automotor estadounidense de propulsado por gasolina a propulsado por electricidad. Esto, a su vez, requerirá la modernización y expansión de la red eléctrica. Como han señalado organizaciones como The Reform Institute , los avances asociados con el desarrollo de la red inteligente facilitarían la capacidad de la red para absorber vehículos en masa que se conecten a ella para cargar sus baterías. [146]
Las extrapolaciones de los conocimientos actuales al futuro ofrecen una variedad de opciones de futuros energéticos. [149] Las predicciones son paralelas a la hipótesis de catástrofe maltusiana . Numerosos son escenarios basados en modelos complejos, como el que se inició en Los límites del crecimiento . Los enfoques de modelización ofrecen formas de analizar diversas estrategias y, con suerte, encontrar un camino hacia el desarrollo rápido y sostenible de la humanidad. Las crisis energéticas de corto plazo también son una preocupación del desarrollo energético. Las extrapolaciones carecen de plausibilidad, en particular cuando predicen un aumento continuo del consumo de petróleo. [ cita requerida ]
La producción de energía suele requerir una inversión energética. La extracción de petróleo o la construcción de una planta de energía eólica requieren energía. Los recursos de combustibles fósiles que quedan suelen ser cada vez más difíciles de extraer y convertir, por lo que pueden requerir inversiones energéticas cada vez mayores. Si la inversión es mayor que el valor de la energía producida por el recurso, ya no es una fuente de energía eficaz. Estos recursos ya no son una fuente de energía, pero pueden explotarse para obtener valor como materias primas. Las nuevas tecnologías pueden reducir la inversión energética necesaria para extraer y convertir los recursos, aunque en última instancia la física básica establece límites que no se pueden superar.
Entre 1950 y 1984, cuando la Revolución Verde transformó la agricultura en todo el mundo, la producción mundial de cereales aumentó un 250%. La energía para la Revolución Verde fue proporcionada por combustibles fósiles en forma de fertilizantes (gas natural), pesticidas (petróleo) y riego alimentado con hidrocarburos . [150] El pico de la producción mundial de hidrocarburos ( pico del petróleo ) puede conducir a cambios significativos y requiere métodos de producción sostenibles. [151] Una visión de un futuro energético sostenible implica que todas las estructuras humanas en la superficie de la Tierra (es decir, edificios, vehículos y carreteras) realicen la fotosíntesis artificial (usando la luz solar para dividir el agua como fuente de hidrógeno y absorber dióxido de carbono para hacer fertilizantes) de manera más eficiente que las plantas. [152]
Con la actividad económica de la industria espacial contemporánea [153] [154] y los vuelos espaciales privados relacionados , con las industrias manufactureras , que van a la órbita de la Tierra o más allá, entregarlos a esas regiones requerirá un mayor desarrollo energético. [155] [156] Los investigadores han contemplado la energía solar basada en el espacio para recolectar energía solar para su uso en la Tierra. La energía solar basada en el espacio ha sido objeto de investigación desde principios de la década de 1970. La energía solar basada en el espacio requeriría la construcción de estructuras colectoras en el espacio. La ventaja sobre la energía solar terrestre es una mayor intensidad de luz y la ausencia de condiciones climáticas que interrumpan la recolección de energía.
La tecnología energética es una ciencia de ingeniería interdisciplinaria que tiene que ver con la extracción, conversión, transporte, almacenamiento y uso eficiente, seguro, ecológico y económico de la energía , orientada a lograr una alta eficiencia evitando al mismo tiempo los efectos secundarios sobre los seres humanos, la naturaleza y el medio ambiente.
Para las personas, la energía es una necesidad imperiosa y, como recurso escaso , ha sido una causa subyacente de conflictos políticos y guerras. La recolección y el uso de recursos energéticos pueden ser perjudiciales para los ecosistemas locales y tener consecuencias globales.
La energía es también la capacidad de realizar trabajo. Podemos obtener energía de los alimentos. La energía puede ser de diferentes formas, como cinética, potencial, mecánica, térmica, luminosa, etc. La energía es necesaria para las personas y para toda la sociedad para la iluminación, la calefacción, la cocina, el funcionamiento de las industrias, el funcionamiento del transporte, etc. Básicamente, existen dos tipos de energía según la fuente de la que provengan: 1. Fuentes de energía renovables 2. Fuentes de energía no renovables
Como ciencia interdisciplinaria, la tecnología energética está vinculada con muchos campos interdisciplinarios de formas diversas y superpuestas.
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La ingeniería eléctrica se ocupa de la producción y el uso de energía eléctrica , lo que puede implicar el estudio de máquinas como generadores , motores eléctricos y transformadores . La infraestructura incluye subestaciones y estaciones transformadoras , líneas eléctricas y cables eléctricos . La gestión de carga y la gestión de energía a través de redes tienen una influencia significativa en la eficiencia energética general. La calefacción eléctrica también se utiliza e investiga ampliamente.
La termodinámica se ocupa de las leyes fundamentales de la conversión de energía y se deriva de la física teórica .
La energía térmica y química están entrelazadas con la química y los estudios ambientales . La combustión tiene que ver con quemadores y motores químicos de todo tipo, parrillas e incineradores junto con su eficiencia energética, contaminación y seguridad operativa.
La tecnología de purificación de gases de escape tiene como objetivo reducir la contaminación del aire mediante diversos métodos de limpieza mecánicos, térmicos y químicos. La tecnología de control de emisiones es un campo de la ingeniería química y de procesos . La tecnología de calderas se ocupa del diseño, la construcción y el funcionamiento de calderas de vapor y turbinas (también utilizadas en la generación de energía nuclear, véase más adelante), extraída de la mecánica aplicada y la ingeniería de materiales .
La conversión de energía tiene que ver con motores de combustión interna, turbinas, bombas, ventiladores, etc., que se utilizan para el transporte, la energía mecánica y la generación de energía. Las cargas térmicas y mecánicas elevadas generan problemas de seguridad operativa que se abordan a través de muchas ramas de la ciencia de la ingeniería aplicada.
La tecnología nuclear se ocupa de la producción de energía nuclear a partir de reactores nucleares , junto con el procesamiento del combustible nuclear y la eliminación de desechos radiactivos, aprovechando la física nuclear aplicada , la química nuclear y la ciencia de la radiación .
La generación de energía nuclear ha sido políticamente controvertida en muchos países durante varias décadas, pero la energía eléctrica producida a través de la fisión nuclear es de importancia mundial. [157] Hay grandes esperanzas de que las tecnologías de fusión algún día reemplacen a la mayoría de los reactores de fisión, pero esta sigue siendo un área de investigación de la física nuclear .
La energía renovable tiene muchas ramas.
Las turbinas eólicas convierten la energía eólica en electricidad conectando un rotor giratorio a un generador. Las turbinas eólicas extraen energía de las corrientes atmosféricas y están diseñadas utilizando la aerodinámica junto con conocimientos extraídos de la ingeniería mecánica y eléctrica. El viento pasa a través de las palas del rotor aerodinámico, creando un área de mayor presión y un área de menor presión a cada lado de la pala. Las fuerzas de sustentación y arrastre se forman debido a la diferencia de presión del aire. La fuerza de sustentación es más fuerte que la fuerza de arrastre; por lo tanto, el rotor, que está conectado a un generador, gira. La energía se crea debido al cambio de la fuerza aerodinámica a la rotación del generador. [158]
La energía eólica, reconocida como una de las fuentes de energía renovable más eficientes, está adquiriendo cada vez más relevancia y se utiliza en todo el mundo. [159] La energía eólica no utiliza agua para producir energía, lo que la convierte en una buena fuente de energía para zonas que carecen de ella. La energía eólica también podría producirse incluso si el clima cambia de acuerdo con las predicciones actuales, ya que depende únicamente del viento. [160]
En las profundidades de la Tierra hay una capa de roca fundida llamada magma que produce un calor extremo. [161] Las altísimas temperaturas del magma calientan las aguas subterráneas cercanas. Se han desarrollado varias tecnologías para aprovechar ese calor, como el uso de diferentes tipos de plantas de energía (secas, instantáneas o binarias), bombas de calor o pozos. [162] Estos procesos de aprovechamiento del calor incorporan una infraestructura que tiene de una forma u otra una turbina que gira con el agua caliente o el vapor que produce. [163] La turbina giratoria, al estar conectada a un generador, produce energía. Una innovación más reciente implica el uso de sistemas de circuito cerrado poco profundos que bombean calor hacia y desde las estructuras aprovechando la temperatura constante del suelo a unos 10 pies de profundidad. [164]
La energía hidroeléctrica obtiene energía mecánica de los ríos, las olas del océano y las mareas . La ingeniería civil se utiliza para estudiar y construir presas , túneles y vías fluviales , y para gestionar los recursos costeros a través de la hidrología y la geología . Una turbina hidráulica de baja velocidad que gira con el agua en movimiento puede alimentar un generador eléctrico para producir electricidad.
La bioenergía se ocupa de la recolección, el procesamiento y el uso de biomasas obtenidas en la fabricación de productos biológicos, la agricultura y la silvicultura, de las que las centrales eléctricas pueden extraer combustible para su combustión. A partir de estas tecnologías se puede obtener etanol , metanol (ambos controvertidos) o hidrógeno para pilas de combustible, que se pueden utilizar para generar electricidad.
Las bombas de calor y el almacenamiento de energía térmica son clases de tecnologías que pueden permitir la utilización de fuentes de energía renovables que de otro modo serían inaccesibles debido a una temperatura demasiado baja para su utilización o a un desfase temporal entre el momento en que la energía está disponible y el momento en que se necesita. Si bien mejoran la temperatura de la energía térmica renovable disponible, las bombas de calor tienen la propiedad adicional de aprovechar la energía eléctrica (o en algunos casos la energía mecánica o térmica) al utilizarla para extraer energía adicional de una fuente de baja calidad (como el agua de mar, el agua de un lago, el suelo, el aire o el calor residual de un proceso).
Las tecnologías de almacenamiento térmico permiten almacenar calor o frío durante períodos de tiempo que van desde horas o la noche hasta entre estaciones , y pueden implicar el almacenamiento de energía sensible (es decir, cambiando la temperatura de un medio) o energía latente (es decir, a través de cambios de fase de un medio, como entre agua y aguanieve o hielo). Los almacenamientos térmicos a corto plazo se pueden utilizar para recortar los picos en los sistemas de calefacción urbana o distribución eléctrica. Los tipos de fuentes de energía renovables o alternativas que se pueden habilitar incluyen energía natural (por ejemplo, recolectada a través de colectores solares térmicos o torres de enfriamiento seco utilizadas para recolectar el frío del invierno), energía residual (por ejemplo, de equipos de HVAC, procesos industriales o plantas de energía) o energía excedente (por ejemplo, como estacionalmente de proyectos hidroeléctricos o intermitentemente de parques eólicos). La comunidad solar de Drake Landing (Alberta, Canadá) es ilustrativa. El almacenamiento de energía térmica de pozo permite a la comunidad obtener el 97% de su calor durante todo el año de colectores solares en los techos de los garajes, que la mayor parte del calor recolectado en verano. [165] [166] Los tipos de almacenamiento para energía sensible incluyen tanques aislados, grupos de pozos en sustratos que van desde grava hasta lecho de roca, acuíferos profundos o pozos revestidos poco profundos que están aislados en la parte superior. Algunos tipos de almacenamiento son capaces de almacenar calor o frío entre estaciones opuestas (particularmente si son muy grandes), y algunas aplicaciones de almacenamiento requieren la inclusión de una bomba de calor . El calor latente generalmente se almacena en tanques de hielo o en lo que se denominan materiales de cambio de fase (PCM).
{{cite web}}: CS1 maint: archived copy as title (link)Propulsión nuclear naval, Magdi Ragheb. En 2001 se habían construido unos 235 reactores navales.AIE. CC BY 4.0.● Fuente de los datos hasta 2016: "Actualización del mercado de energía renovable / Perspectivas para 2021 y 2022" (PDF) . IEA.org . Agencia Internacional de la Energía. Mayo de 2021. pág. 8. Archivado (PDF) del original el 25 de marzo de 2023.
IEA. Licencia: CC BY 4.0
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