Capítulo 1: Introducción
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Aspectos Generales
- (Actualizado al 01 de Agosto de 2006)
La Termotecnia o Termodinámica Aplicada
es la ciencia de la Ingeniería que está relacionada con el
estudio de sistemas termodinámicos reales bajo la óptica
de la física del calor.
La visión que se desea desarrollar es sistémica.
Con esto queremos decir que ustedes vayan adquiriendo la habilidad de ver
sistemas reales y analizarlos desde el punto de vista global. Por ejemplo
si analizamos un automóvil, verlo no solo como un conjunto de partes
y piezas, sino también entender las relaciones funcionales entre
ellas para comprender su operación.
Trataremos que al desarrollar esta habilidad se vaya aplicando a sistemas
cada vez más generales. Así, del estudio de sistemas muy
simples, pasaremos al estudio de sistemas cada vez más complejos.
Todo no pasaría de ser un ejercicio académico interesante
si nos limitáramos a esos aspectos. Sin embargo veremos que algunos
conceptos claves que se explican en el curso están íntimamente
ligados al problema del desarrollo. En los próximos
párrafos trataremos de comprender las relaciones existentes entre
energía
y desarrollo y energía y medio ambiente.
ENERGIA Y DESARROLLO
(Actualizado al 01 de Agosto de 2006)
ASPECTOS GENERALES:
Durante el desarrollo de este curso, veremos
como los principios de la Termodinámica son aplicables a problemas
y sistemas reales. Buscamos, sobre todo, que ustedes perciban la importancia
que tiene la correcta comprensión y aplicación de estos principios
en gran cantidad de problemas reales que enfrentarán.
A inicios de 1997 la población mundial se empinaba
sobre los 5.400 millones de personas. En los últimos 100 años
el mundo ha cambiado más por el impacto de la presencia del hombre
que desde la aparición de este sobre la tierra hace más de
3 millones de años (si uno considera el género homo
y más de 100.000 años si se considera el homo sapiens).
Tendemos a mirar los temas de energía, desarrollo
e impacto ambiental como temas independientes entre sí. Sin
embargo existe una fuerte interrelación entre ellos. En los próximos
párrafos aclararemos e ilustraremos esta afirmación.
LAS FUENTES DE ENERGIA:
El hombre necesita energía para subsistir, manejar
su entorno y producir bienes. En su nivel más primitivo necesitaremos
al menos energía para no morirnos de hambre. Cuanto es esto? Tambien
aclaremos que significa.
Tradicionalmente el ser humano contó con una cantidad
muy limitada de fuentes de energía. Estas eran:
-
Energía Muscular: propia, de otros seres humanos
y de animales. Constituyó la fuente primaria de energía
mecánica diurante muchos Siglos.
-
Energía Térmica: principalmente calor
obtenido de la combustión de leña u otros produtos vegetales.
Tambien hace varios milenios se inició la metalurgia
la que requirió de procesos de purificación de minerales
y su fusión, por lo tanto alentó el desarrollo del carbón
vegetal.
-
Energía Hidráulica: tambien para obtener
energía mecánica. Su desarrollo se inicia con los griegos
y romanos. Las primeras aplicaciones fueron para bombear agua
con fines agrícolas. Pero después se amplió el uso
a otros tipos de molinos: para moler granos, aserrar, accionar
telares y otras aplicaciones.
-
Energía Eólica: el primer gran uso de
la energía eólica es en la navegación marítima,
y
es clave en su desarrollo. Posteriormente (hacia el año 900 a 1000)
se comenzaron a desarrollar los molinos de viento, primero
en Persia y luego en otras partes. El uso inicial de los molinos de viento
fue para bombear agua y proveer de energía mecánica para
la molienda, aserrado y otras faenas.
De que orden de magnitud son las potencias y cantidades de
energía obtenibles de estas fuentes:
-
Un ser humano es capaz de producir una
potencia
permanente de uno 70 a 100 [W] durante 6 a 8 horas. Es decir, una energía
diaria de 0,6 a 0,8 [kWh]. Para esto, la ingesta de alimento debe
ser del orden de las 3.000 a 3.500 [kcal], es decir, tenemos un rendimiento
como máquina térmicadel orden del 18 al 20%.
-
Un animal (por ejemplo un caballo), puede producir
una potencia mayor (del orden de 500 a 750 Watts, de aquí
la definición de HP), por lo tanto del orden de 3 a 5 [kWh]
de energía útil al día. El rendimiento es usualmente
inferior, pues se parte de alimentos menos elaborados.
-
Las Mercancías se manipulabancon energía
muscular. Para mover dragas de puerto, grúas, bombas y otros ingenios,
el trabajo muscular era casi la única fuente disponible.
En el caso de la energía térmica las fuentes tradicionales
fueron la leña y el carbón vegetal. Mientras
el proceso de industrialización fue incipiente, no hubieron grandes
problemas. Pero el descubrimiento y conquista de América implicaron
grandes esfuerzos en la construcción de navíos, armas implementos
y otros (Es un hecho que una buena parte de las riquezas que se obtuvieron
de América se gastaron en hacer guerras entre los diferentes reinos
y estados de Europa). Como consecuencia de esto, en el Siglo XVII comenzó
a existir una fuerte penuria de leña y carbón vegetal.
La deforestación de la península Ibérica, como
tambien muchas partes de Europa fue un impacto que tuvo el uso intensivo
de recursos a raíz de la conquista Americana.
- Energía Hidráulica: es un excelente
recurso, de estar disponible. El agua es un fluido denso (1000 kg de masa
por m3) y facilmente manejable, lo que con facilidad permitía hacer
molinos de algunas decenas de kW de potencia. Las típicas ruedas de
molino eran con carga superior (overshot) y muy buen rendimiento (70 a 80%
eficiencia de conversión). El talón de Aquiles de esta máquina
eran los materiales con que se fabricaba rueda, engranajes y
otros elementos. En general el único material disponible era la madera,
así que existían serios problemas de durabilidad. Otro problema
(obvio) de la energía hidráulica era de que estaba disponible
solo en ciertas partes (cursos de agua confiables y con la pendiente adecuada).
-
Energía Eólica: Tambien es un recurso
de mucho interés. El primer gran uso fue la navegación marítima
(en los ríos es más complejo por el problema de la maniobra).
De hecho siguió usándoses en gran escala en la navegación
hasta la 1ª Guerra Mundial. En el caso de los molinos de viento
los modelos más desarrollados (Siglo XVIII y XIX) de Holanda, Francia
y España tenían una potencia del orden de la decena de kW.
Claro que el molinero tenía que ser un tipo experto en el oficio
y detalles de estas máquinas. El problema básico de la energía
eólica es que es un recurso relativamente aleatorio y además
el aire es un fluido poco denso (del orden de 1,2 kg por m3). Esto hace
que la potencia de los molinos de viento sea relativamente
pequeña.
La ecuación existente cambia en forma radical con la Revolución
Industrial. Si bien esta trajo muchos cambios, el más importante
(por sus consecuencias) es la invención de la máquina
de vapor. Por primera vez el hombre puede disponer de fuentes de
energía mecánica de mayor potencia y donde se hace necesario.
Sobre esta máquina nos detendremos más adelante.
La máquina a vapor trajo consigo el uso masivo del carbón
como fuente energética. Este fue el vector energético dominante
hasta comienzos del Siglo XX.
El motor de combustión interna se comenzó a desarrollar
en el Siglo XIX. Inicialmente operó a gas, pero su verdadero desarrollo
se alcanzó a inicios del siglo XX con el perfeccionamiento del motor
Otto a gasolina. El impulso definitivo vino con la 1ª Guerra Mundial
y el desarrollo de la aviación.
El uso de la energía eléctrica tambien es
de fines del Siglo XIX. La creación de redes de distribución
eléctrica llevó rápidamente al perfeccionamiento de
las turbinas hidráulicas, las turbinas a vapor
y los motores diesel industriales.
En 1945 comenzó la aplicación industrial de la energía
nuclear. Si bien hoy en día es una fuente energética de
importancia, el estado actual de la tecnología hacen previsible que su
desarrollo permanezca estancado. Esto lo abordaremos después, pero el
hecho es que la tecnología nuclear actual es más cara que otras
alternativas energéticas y el recurso más escaso que los hidrocarburos.
CORRELACION ENTRE DESARROLLO Y CONSUMO ENERGETICO:
La correlación existente entre desarrollo y consumo energético
es bien conocida. Esto es algo bastante razonable, pues podemos considerar
al consumo de energía bruta de una sociedad como una forma de amplificar
el esfuerzo humano.
Figura 1.1 Evolución de Consumo Energético en USA
En la Figura 1.1 vemos la correlación existente entre
consumo de energía bruta y PGB en Estados Unidos desde 1893
a 1975. En ella podemos observar como se ha aumentado el PGB y el
consumo energético. Además podemos observar varias zonas
con tendencias muy diferentes.
-
1893 a 1917: corresponde a un período en que
hay fuerte aumento del consumo energético asociado a un aumento
mucho menos notable del PGB. Corresponde a una época de industrialización
en USA, desarrollo de infraestructura básica y, por lo tanto, de
fuertes inversiones en lo básico.
-
1917 a 1945: hay un cambio de tecnología
fundamental. En esta época se hace la electrificación masiva
de USA y además se introduce el uso masivo del motor de combustión
interna (Otto y Diesel). El cambio tecnológico posibilita
un fuerte desarrollo con aumento de consumo de energía primaria
modestos. Es la época en que se cambia la base de la energía
primaria desde el carbón al petróleo. Merece la pena destacarse
la caída de PGB producida por el shock de la bolsa en 1929
(que culmina en 1933) el que, sin embargo, no produce una caída
del consumo de energía. Esto indica de que si bien la energía
es esencial para el desarrollo su precio no era entonces
relevante.
-
1945 a 1950: Aquí vemos el impacto de la crisis
de la post-guerra, donde una economía de guerra tiene que abordar
un fuerte proceso de reconversión a una economía civil y
a la vez reincorporar a labores productivas a un fuerte contingente de
personas.
-
1950 a 1973: Nueva época de desarrollo, con
fluctuaciones intermedias, hasta llegar a la primera gran crisis del petróleo
de 1973.
-
1973 a 1975: hay un fuerte aumento del precio del
petróleo (del orden de 10) y el PGB cae, pero tambien cae el
consumo energético. Aquí se ve que ahora la energía
pasa a tener un costo relevante dentro de los procesos productivos.
Figura 1.2 Evolución Consumo Energético y PGB países
OCDE
En la Figura 1.2 vemos que pasa en cuanto a consumo energético
y PGB para los paises de la OCDE entre 1970 y 1990. Un aspecto
muy importante es que, en este período, el PGB ha crecido
a una tasa mucho mayor que el consumo energético. Por lo tanto queda
en evidencia el esfuerzo hecho en cuanto a buscar procesos y sistemas
energéticamente eficientes.
Figura 1.3 Evolución PGB y Consumo Energía Países
en desarrollo
En la Figura 1.3 vemos la misma información, pero para
los países en desarrollo. En este período, el PGB
de los paises en desarrollo ha crecido más rápido que aquellos
de la OCDE (un factor 2 de crecimiento, versus 1,7 para los de la
OCDE).
Sin embargo el consumo de energía ha crecido aún más.
Esto revela:
-
Crecimiento de Infraestructura: casi todos los países
en desarrollo deben aún realizar importantes esfuerzos para mejorar
su infraestructura básica y servicios. Esto implica grandes inversiones
energéticas en desarrollar nuevos sistemas.
-
Procesos Básicos: una cantidad importante de
la mejora de eficiencia energética en los países de la
OCDE
se debe a un fuerte proceso de reconversión industrial. Esto
ha implicado (entre muchas otras cosas) el sacar industrias básicas
del país y llevarlas a países del 3er mundo (acerías,
cemento, astilleros, maestranzas pesadas y otras). Se está privilegiando
la industria liviana, con un alto componente de know-how. Por lo tanto
esto implica que para los países en desarrollo el desarrollar procesos
menos eficientes y/o intensivos en el uso de energía. En el caso
de Chile, por ejemplo: industria de harina de pescado, celulosa, chips
de madera, minería básica y otras.
-
Incorporación de sectores marginados: un gran
drama de los países en desarrollo es que tienen grandes sectores
de su población fuera del circuito económico. El incorporarlos
implicará necesariamente aumentar el consumo energético.
Además como se trata de sectores muy marginales, la tendencia es
que inicialmente el consumo energético asociado a su actividad sea
con una eficiencia pobre.
Figura 1.4 Evolución consumo energía y PGB en Chile
El caso de Chile en los últimos 20 años lo vemos en la
Figura
1.4. En ella vemos claramente las crisis de 1972-73 y la de 1981. Cabe
destacar además de que nuestro PGB ha crecido menos en el
período 1970-90 que el del conjunto de los países en desarrollo.
Además es preocupante el hecho de que el aumento de PGB en
los últimos años ha sido bastante más lento que el
aumento del consumo energético.
En las próximas décadas nos enfrentaremos a varios desafíos:
- Eficiencia Energética: será necesario
aumentar radicalmente la eficiencia energética de nuestros procesos
y sistemas. Debemos al menos alcanzar lo que hoy son los niveles comunes
en Europa.
- Nuevas Tecnologías: se hace necesario desarrollar
e incorporar nueva tecnología que tienda a lograr la meta arriba indicada.
- Diversificar Fuentes Energéticas: Actualmente
se depende fuertemente de los hidrocarburos como fuente de energía
primaria. Se hace necesario incorporar nuevas fuentes de energía:
Gas natural, biomasa, energía eólica, microhidráulica,
energía solar y otras.
- Cogeneración: la idea de la cogeneración
como método de ahorro y eficiencia energética no es nueva.
Pero el incorporarla en gran escala a nuestro sistema puede tener un
impacto positivo muy grande.
Versión original: Marzo 1999
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