El documento habla sobre la metodología para elaborar balances energéticos en términos de energía final. Explica conceptos como fuentes energéticas primarias y secundarias, cadena energética, matriz energética, energía final vs energía útil, y la importancia de realizar balances energéticos para la planificación del sector energético.

1. PONTIFICIA UNIVERSIDAD CATÓLICA DEL ECUADOR ECONOMÍA DE LA ENERGÍA METODOLOGÍA PARA LA ELABORACIÓN DE BALANCES ENERGÉTICOS EN TÉRMINOS DE ENERGÍA FINAL Ec. Rubén Flores.

3. ENERGÍA. Aunque existen diversos conceptos para energía, que van desde la mecánica clásica, hasta la mecánica cuántica y la teoría de la relatividad, para efecto del tema que nos compete, basta con decir que la energía es la capacidad que tiene la materia de producir alteraciones en su entorno. En el tema de este curso, trataremos la energía solamente en sus manifestaciones como electricidad y calor. ALGUNAS DEFINICIONES GENERALES FUENTE DE ENERGÍA. Para el caso específico de nuestro tema de estudio, se considerará como fuente de energía, todo elemento o producto, natural y artificial, del cual podemos obtener calor y/o electricidad, incluyendo la radiación solar.

7. Es la serie de etapas, actividades y eventos, por los que una fuente energética debe pasar desde su origen hasta su aprovechamiento, como producción, transporte, transformación, distribución, etc. CADENA ENERGÉTICA

8. La matriz energética es la cuantificación de la oferta interna de cada uno de las fuentes energéticas en el país. El conocimiento y análisis de la matriz energética es un parámetro básico para la planificación y aseguramiento del abastecimiento energético. MATRIZ ENERGÉTICA El concepto de matriz energética se pude extender al estudio de la evolución histórica y futura de la oferta interna de energía en el país, así como al inventario de recursos energéticos disponibles

9. Energía final.- Es la cantidad de fuente energética que se consume en cada uno de sectores económicos del país, incluyendo el sector residencial, sin importar las eficiencias en los equipos o artefactos consumidores. Energía útil.- Es la cantidad de energía realmente utilizada para cumplir la tarea productiva del equipo o aparato consumidor. Estufa de leña Alimentos Energía final Cantidad de leña quemada Energía útil Calor absorbido por los alimentos Pérdidas ENERGÍA FINAL Y ENERGÍA ÚTIL

10. Son las series de valores en el tiempo, que cuantifican tanto los flujos de la energía a través de la cadena energética, como otras variables relacionadas con el sector energético como son: reservas y potenciales, capacidades de producción, capacidades de procesamiento, capacidades de transporte, capacidades de almacenamiento, precios, etc. Se puede incluir también en estas estadísticas, algunas variables económicas y sociales, que son de gran importancia, para el análisis del comportamiento energético de un país. ESTADÍSTICAS ENERGÉTICAS

11. Contabilización del flujo de energía entre las diferentes etapas y actividades de la cadena energética y las relaciones de equilibrio entre la oferta y la demanda, por las cuales la energía se produce, se intercambia con el exterior, se transforma y se consume; tomando como sistema de análisis el ámbito de un país o una región; y para un período determinado (generalmente un año). OFERTA DEMANDA BALANCES ENERGÉTICOS

13. Fuentes renovables Electricidad Fuentes no renovables Derivados de Petróleo y gas natural Derivados de Carbón Mineral Derivados de Biomasa CLASIFICACIÓN DE LAS FUENTES ENERGÉTICAS Fuentes primarias Fuentes secundarias

14. Fuentes de energía obtenidas directamente de la naturaleza o mediante un proceso de extracción. En forma directa: energía hidráulica, solar, eólica, leña y otros combustibles vegetales. Después de un proceso de extracción: petróleo, gas natural carbón mineral, geoenergía, etc. FUENTES DE ENERGÍA PRIMARIA

15. Petróleo crudo: Mezcla líquida de hidrocarburos de diversos pesos moleculares, con generalmente una pequeña fracción de nitrógeno y azufre. Gas Natural: Mezcla gaseosa de hidrocarburos compuesta principalmente por metano, etano y condensables. Se incluye el gas natural libre y el gas asociado al petróleo. FUENTES DE ENERGÍA PRIMARIA NO RENOVABLES

16. Carbón Mineral: Combustible mineral sólido, compuesto principalmente de carbono, con pequeñas cantidades de nitrógeno, oxígeno, azufre y otros elementos. Energía nuclear: Es la energía obtenida del mineral de uranio después del proceso de purificación y/o enriquecimiento. FUENTES DE ENERGÍA PRIMARIA NO RENOVABLE

17. Hidroenergía: Es la energía contenida en un caudal hidráulico. Geoenergía: Energía almacenada bajo la tierra en forma de calor y transmitida hacia la superficie por agua en estado líquido, vapor o una mezcla de ambos. FUENTES DE ENERGÍA PRIMARIA RENOVABLE

18. Energía eólica Es la energía producida por el viento y que se puede aprovechar en un conjunto turbina-generador Energía solar Es la energía del sol aprovechada principalmente en calentamiento de agua, secado de granos e irradiación en células fotovoltaicas. FUENTES DE ENERGÍA PRIMARIA RENOVABLE

19. Biomasa La materia orgánica vegetal y animal, que se utiliza para fines energéticos, se incluye en este grupo: Leña: troncos y ramas de los árboles Productos de caña: incluye el jugo de caña y el bagazo Residuos animales y vegetales: incluye residuos agroindustriales y desechos de animales y humanos. Oleaginosas: plantas productoras de aceite vegetal, cultivadas exclusivamente para elaboración de biodiesel FUENTES DE ENERGÍA PRIMARIA RENOVABLE

20. Productos energéticos obtenidos luego de un proceso de transformación de las energías primarias. Derivados de petróleo obtenidos en las refinerías. La electricidad generada por las centrales eléctricas Ejemplos: FUENTES DE ENERGÍA SECUNDARIA

21. Electricidad: Es la energía transmitida por electrones en movimiento. Gas licuado de petróleo (GLP): Consiste en una mezcla de hidrocarburos livianos (principalmente propano y butano), que se obtienen de la destilación del petróleo y/o del tratamiento del gas natural. A presión y temperatura ambiente están en estado gaseoso. FUENTES DE ENERGÍA SECUNDARIA

22. Gasolinas Mezcla de hidrocarburos líquidos, livianos, obtenidos de la destilación del petróleo y/o del tratamiento del gas natural, cuyo rango de ebullición se encuentra generalmente entre los 30-200 grados centígrados. Kerosén y turbo Es un combustible líquido constituido por la fracción del petróleo que se destila entre los 150 y 300 grados centígrados , El Turbo es un kerosén con un bajo punto de congelamiento. FUENTES DE ENERGÍA SECUNDARIA

23. Diesel Oil: Combustible líquido que se obtienen de la destilación atmosférica del petróleo entre los 200 y 380 grados centígrados, es más pesado que el kerosén Fuel Oil: Es el residuo de la refinación del petróleo y comprende todos los productos pesados. FUENTES DE ENERGÍA SECUNDARIA

24. Coque Material sólido no fundible, de alto contenido de carbono, obtenido como resultado de la destilación destructiva del petróleo en refinerías o del carbón mineral en las coquerías. Gas de refinería Gas no condensable obtenido de la refinación del petróleo crudo. Consiste principalmente de hidrógeno, metano y etano usado en gran parte en el proceso propio de refinación. FUENTES DE ENERGÍA SECUNDARIA

25. Líquidos de Gas Natural: Mezclas de hidrocarburos líquidos que son extraídos del Gas natural mediante procedimientos de condensación y absorción y se clasifican de acuerdo a su presión de vapor en: condensados, gasolina natural y gas licuado de petróleo (GLP). Gas Seco: Se le denomina así a la mezcla residual de hidrocarburos gaseosos a la cual se le han extraído los líquidos o condensables, esta mezcla está compuesta principalmente por el Metano (CH4). Por tener este gas, prácticamente la misma composición del Gas Natural libre extraído de los pozos, no se lo considera propiamente un energético secundario. FUENTES DE ENERGÍA SECUNDARIA

26. Gas de coquería y altos hornos: Es el gas obtenido como producto secundario en el calentamiento intenso del carbón mineral o coque, en las coquerías y altos hornos. Está compuesto de monóxido de carbono, nitrógeno y pequeñas cantidades de hidrógeno y dióxido de carbono. Carbón vegetal: Es el combustible obtenido de la destilación destructiva de la madera, en ausencia de oxígeno, en las carboneras. FUENTES DE ENERGÍA PRIMARIA

27. Alcohol (etanol y metanol): El etanol es un líquido incoloro que se produce por fermentación de materias vegetales con un alto contenido de azúcar, almidón o celulosa. El metanol es también un líquido incoloro que puede producirse a partir de diversas materias primas como la leña, desechos vegetales, metano, gas natural, carbón, etc. Biogás: Es el gas, principalmente metano, obtenido de la fermentación anaeróbica de desechos biomásicos. FUENTE DE ENERGÍA SECUNDARIA

28. Biodiesel: Es un combustible líquido obtenido de la transesterificación de aceites vegetales con un alcohol ligero, principalmente el metanol. Tiene propiedades similares a las del diesel del petróleo y puede ser utilizado en motores de combustión interna del ciclo diesel realizando pequeñas adecuaciones. Productos no energéticos: Productos de la transformación de energías primarias, con considerable contenido energético, pero que no se utilizan como fuentes de energía; como: asfaltos, solventes, naftas, aceites y grasas, lubricantes, etc. FUENTES DE ENERGÍA SECUNDARIA

29. Centros de Transformación Producción energía primaria Importación energía primaria Variación inventarios primarios Oferta primaria Exportación energía primaria Pérdidas primarias Consumo final sectorial Producción secundaria Importación energía secundaria Variación inventarios secundarios Entrada primaria Exportación energía secundaria Pérdidas de transformación Oferta secundaria Pérdidas secundarias Consumo propio secundarias Consumo final secundario Entrada secundaria Consumo final total Consumo final energético Consumo final no energético Consumo final primario ENERGIA PRIMARIA TRANSFORMACION ENERGIA SECUNDARIA CONSUMO FINAL TOTAL FLUJO DE ENERGÍA EN LA CADENA ENERGÉTICA

40. Centros de Transformación Energía primaria Producción Energía secundaria Pérdidas de transformación Energía secundaria a reciclo Consumo propio Insumos ACTIVIDADES DE TRANSFORMACIÓN

45. Refinerías Petróleo Crudo Gas de Refinería Gas licuado (GLP) Gasolinas y naftas Kerosén y Turbo combust . Diesel o Gas Oil Fuel Oil Coque de petróleo Pérdidas De Transformación no energéticos LGN INSTALACIONES DE TRANSFORMACIÓN

46. Plantas de Tratamiento De Gas Gas Natural Libre Gas Natural Asociado Gas seco Líquidos de Gas Natural (LGN) Productos no energéticos. Pérdidas De Transformación INSTALACIONES DE TRANSFORMACIÓN

48. Centrales Eléctricas Energía Eléctrica Petróleo crudo y derivados Pérdidas De Transformación Gas natural Geoenergía Carbón mineral Hidroenergía Energía eólica Energía solar Biomasa Renovables No renovables Nuclear INSTALACIONES DE TRANSFORMACIÓN

52. Coquería Carbón Mineral Coque Pérdidas De Transformación Gas de coquería No energéticos Alto Horno Gas de alto horno Pérdidas De Transformación INSTALACIONES DE TRANSFORMACIÓN

53. Carboneras Leña Carbón Vegetal Pérdidas De Transformación INSTALACIÓN DE TRANSFORMACIÓN

55. Proceso de obtención del etanol Etanol Hidratado Azúcar Hidrólisis Fermentación Destilación Biomasa Lignocelulósica : (Tecnología en desarrollo) - Maderas - Residuos agrícolas - Residuos forestales - Basura orgánica Etanol Anhidro Deshidratación Caña de azúcar Remolacha Bagazo de caña Maíz Trigo Papa Almidón Electricidad

56. Proceso de obtención del Biodiesel Catalizador: NaOH o KOH Aceite vegetal Calor Ester metílico ó etílico “BIODIESEL” Metanol o etanol (solvente) Glicerina (subproducto) Transesterificación Recuperación del alcohol

58. Termoeléctricas convencionales (sin cogeneración) .- El equivalente primario está dado por el calor desprendido de los combustibles consumidos. Q = V*Pci Centrales turbo vapor con cogeneración .- En este caso es necesario determinar qué fracción del consumo de combustible corresponde a la producción de electricidad y cual corresponde a la producción del calor aprovechado como fuente de energía. Para el cálculo se debe conocer la temperatura y la presión del vapor de agua, tanto al ingreso de la turbina como a la salida de la misma, para determinar mediante un diagrama de Mollier o tabla de vapor, las entalpías en estos dos puntos del ciclo. Q = Calor V = Cantidad de Combustible Pci = Poder calorífico inferior EQUIVALENTE PRIMARIO DE LA ELECTRICIDAD

59. Centrales turbo vapor con cogeneración .- Diagrama de Mollier Fracción electricidad = V*Pci*(H1- H2)/H1 Fracción calor = V*Pci*(1 - (H1- H2)/H1) Donde: V = Cantidad de combustible Pci = Poder calorífico inferior H1 = Entalpía del vapor en 1 H2 = Entalpía del vapor en 2 Nota: si no se conocen los datos necesarios para este cálculo, se puede trabajar con la eficiencia promedio de la turbina (aprox.50%) EQUIVALENTE DE LA ELECTRICIDAD Q

60. Centrales Termonucleares.- El cálculo del equivalente primario es similar al de una termoeléctrica convencional, con la única diferencia, que hay que determinar que porción del uranio natural utilizado, ha sido enriquecido, y por lo tanto es fisionable. Si la obtención de esta información se complica, se recomienda asumir una eficiencia promedio de transformación del 33%. Q = EE/0.33 Donde: Q = Calor y EE = Energía eléctrica generada Centrales Geotérmicas .- Conociendo las condiciones termodinámicas del flujo de vapor geotérmico a la entrada (1) y salida (2) de la turbina, se puede calcular la cantidad de calor (Q) entregada al generador, mediante la ecuación de entalpías (H): Q = H1- H2 Si el vapor es saturado, H i = Cp*V* (T i – T o ) donde: Cp = Capacidad calorífica del agua, V = masa de vapor turbinado, T i = Temperatura en el punto i y T o temperatura de referencia. Si el vapor es sobrecalentado, hay que recurrir a una tabla de vapor. EQUIVALENTE PRIMARIO DE LA ELECTRICIDAD

61. Si las condiciones termodinámicas del flujo de vapor geotérmico, son desconocidas, se recomienda tomar una eficiencia termoeléctrica promedio del 30% y calcular el equivalente primario en función de la energía eléctrica generada: Q = EE/0.30 Donde: Q = Calor y EE = Energía eléctrica generada Centrales Geotérmicas .- Existen diferencias en los criterios que utilizan los países para asumir estos rendimientos, Por ejemplo: México asume el 34% mientras que El Salvador el 7%. La IEA y EUROSTAT proponen como referencia una eficiencia del 10%. EQUIVALENTE PRIMARIO DE LA ELECTRICIDAD

62. Si se conoce el caudal promedio turbinado y la altura de caída en cada una de las centrales hidroeléctricas, se puede calcular el equivalente primario de hidroelectricidad (HE) de la siguiente manera: Centrales Hidroeléctricas.- Donde: r = densidad del agua (1 Kg/m 3 ) g = aceleración de la gravedad (9.8 m/s 2 ) t = Número de horas del período h = altura de caída (m) Donde: K = constante de la central Qt = caudal turbinado promedio HE = K * Qt (GWh) K = r*g*t*h Si se desconoce la información técnica de la central, se recomienda asumir una eficiencia de transformación promedio del 80% HE = EE/0.8 Donde: EE = Energía eléctrica generada EQUIVALENTE PRIMARIO DE LA ELECTRICIDAD

63. La energía contenida en el viento, al igual que la energía solar, solo se las puede cuantificar a través de un aprovechamiento específico, como es el caso de la producción de electricidad en aerogeneradores y paneles fotovoltaicos respectivamente. Al no existir un acumulador natural de este tipo de energías, a diferencia de lo que ocurre con los combustibles fósiles o el vapor geotérmico, es subjetivo hablar de producción independientemente del consumo como energía útil. Con criterio similar al de otras agencias internacionales, OLADE recomienda que para este tipo de energías no convencionales, se registre como equivalente primario (EP), la cantidad de energía eléctrica producida (EE). Es decir, se asuma 1 como eficiencia de transformación. EP = EE Centrales Eólicas y Fotovoltaicas.- EQUIVALENTE PRIMARIO DE LA ELECTRICIDAD

64. El consumo final, es la energía empleada por los sectores económicos del país, tanto para satisfacer sus necesidades de subsistencia, como para mover su infraestructura de producción. El consumo final, se clasifica en consumo energético y consumo no energético. Consumo energético.- Aprovechamiento de las fuentes como energía útil, en: calefacción, cocción de alimentos, calor de procesos, fuerza motriz, iluminación, generación de ondas electromagnéticas y alimentación de toda clase de circuitos electrónicos. Es consumo no energético ,.- Uso de fuentes energéticas como materias primas o productos de uso final diferente al energético, como solventes, lubricantes, aromatizantes, etc. Nota: La metodología de OLADE, separa del consumo final, la energía empleada por las instalaciones del sector energético, para facilitar el análisis de eficiencia total de este sector. CONSUMO FINAL

65. sector energético Industrial Manufacturero Pérdidas Transporte Residencial Comercial y Servicios Agro, silvicultura y pesca Construcción Minas y canteras Consumo final ACTIVIDADES DE CONSUMO Energía primaria Energía secundaria

72. Sector Industrial Manufacturero Estimación del consumo de leña y otras fuentes no comerciales por el método de la propiedad extensiva. Se aplica principalmente al sector de la pequeña industria e industria artesanal, donde es dificil organizar encuestas confiables, por desconocer el tamaño del universo estadístico. El método consiste en calcular el consumo energético en base a una propiedad extensiva de esa actividad, como es el consumo de sus productos (ladrillos, bebidas destiladas, toneladas de pan, etc.). C f = n*c*N/100 Donde: Cf = Consumo final de la fuente n = número de productos fabricados artesanalmente por cada 100 C = consumo especifico (ej. ton. de leña/mil ladrillos) N = número de ladrillos fabricados SECTORES DE CONSUMO FINAL

74. SECTOR RESIDENCIAL Estimación del consumo de leña y otras fuentes no comerciales en el sector residencial rural. Para determinar el consumo de fuentes no comerciales principalmente en el sector rural donde el registro es inexistente, se recomienda estimarlo de la siguiente manera: Consultar de censos de población o encuestas el número de personas u hogares ( N ) que cocinan con una determinada fuente no comercial y el consumo específico ( c ) de dicha fuente. C f = c*N Donde: Cf = Consumo final de la fuente C = consumo especifico (ej. Kg. de leña/hogar) N = número de hogares Nota: Hay que tomar en cuenta la equivalencia de las unidades autóctonas como: (atado, carga de burro, carretada, etc.)

82. Formulaciones matemáticas útiles para estimar algunos tipos de consumo energético.- SECTORES DE CONSUMO FINAL 1. Calentamiento de agua E = Cp*Q*(Tf – To) Donde: E = Energía empleada Cp = Calor especifico del agua Q = Cantidad de agua calentada en el período Tf = temperatura final promedio To = temperatura inicial promedio 2. Secado de materiales E = r*Q*(Ho – Hf) Donde: E = Energía empleada r = Calor de vaporización del agua Q = Cantidad de material secado en el período Ho = Contenido de humedad inicial (p.u) Hf = Contenido de humedad final (p.u) 3. Consumo de combustible de maquinaria V = N*Ce*h Donde: V = Volumen de comb. consumido N= Número de unidades Ce = Consumo especifico de cada unidad (litros/h) h = número de horas de funcionamiento en el período 4. Consumo de combustible de barcos V = N*Ce*L Donde: V = Volumen de comb. consumido N= Número de unidades Ce = Consumo especifico de cada unidad (litros/Km) L = Kilometraje recorrido en el período

86. ACTIVIDADES DE OFERTA

87. ACTIVIDADES DE TRANSFORMACIÓN

88. ACTIVIDADES DE CONSUMO PÉRDIDAS Y AJUSTE

91. Totales por actividad (filas).- Para la totalización del balance por actividad, es necesario que todo el balance se encuentre en una unidad calórica común, por ejemplo Kbep, Ktep, TJ etc. Para la mayoría de las filas, los totales se refieren a la suma de las columnas de cada grupo de energéticos, con las siguientes excepciones: Total Energía en la actividad de producción.- Se refiere solamente a la suma de los energéticos primarios. Columna Total Energía de la fila Oferta Total.- Se aplica la formula de oferta total: Total secundarias en las actividades de transformación.- se suman solamente los valores positivos (salidas de transformación). Columna Total Energía de las actividades de transformación.- se suma todo lo que entra a transformación y todo lo que sale de transformación con su respectivo signo. Columna Total Energía de Total transformación.- se suman solo los valores negativos de las actividades de transformación en dicha columna. OT = TR +PR + IM – EX- NA +VI- BK RELACIONES DE EQUILIBRIO DEL BALANCE ENERGÉTICO

92. Eficiencia de las actividades de transformación.- Para el cálculo de la eficiencia energética de las actividades de transformación, es también necesario que todo el balance se encuentre en una unidad calórica común. La eficiencia de la actividad se calcularía como el total de la energía que sale de transformación PRODUCTOS sobre el valor absoluto del total de energía que ingresa a transformación INSUMOS EF = PRODUCTOS/INSUMOS < 1 Se puede usar las columnas de totales del balance, para el cálculo de la eficiencia de transformación: PRODUCTOS = Total secundarias INSUMOS = Total secundarias – Total energía RELACIONES DE EQUILIBRIO DEL BALANCE ENERGÉTICO