Eficiencia Energetica y Energias Renovables

     Resumen

El debate sobre una política nacional energética en Chile recién está empezando a tomar forma. Un gran grupo  de proyectos eléctricos han generado diversos conflictos y un cuestionamiento público acerca de la necesidad de estos y también sobre los procedimientos de aprobación.

 La carencia de una política de estado que permita diversificar la matriz energética y mejorar la sustentabilidad del desarrollo del país es claramente un problema y que no puede postergarse más.

La Agencia Internacional de Energía ha recomendado que es necesario una revisión de las políticas energéticas con un compromiso real y efectivo de parte del Estado para poder tener una mayor sustentabilidad en el sector y tener una política energética de largo plazo adecuada para todos los grupos, con objetivos y metas claramente establecidas para facilitar su monitoreo y evaluación. La internalización de los costos sociales y ambientales de la generación de energía es impostergable, así como la necesaria diversificación de la matriz energética. Para que esto ocurra hay que superar las actuales barreras de entrada, revirtiendo el gran control que ejercen un pequeño grupo de empresas. Los cambios que se deben implementar son una demanda creciente de la sociedad chilena. Hoy más que nunca se necesita una estrategia nacional con una mirada de largo plazo, que potencie efectivamente el desarrollo de las energías renovables y permita que la eficiencia energética sea su pilar principal en el desarrollo de una matriz energética sustentable.

Este paper espera argumentar que Chile está transitando hacia un importante desacoplamiento en su crecimiento económico y sobre la demanda de energía producto de innovaciones tecnológicas y el uso eficiente de la energía impulsada por los altos costos.

El escenario verde en Chile  espera que la demanda crecerá realista y paulatinamente  en torno al 4,5% anual. Con la eliminacion de los obstáculos al ingreso de nuevos actores al sistema y la expansión de las Energia Renovables No Convencionales que presentan costos cada vez mas bajos. Así con el implemento de la eficiencia energética, el país mejorara sustancialmente su seguridad energética y se ahorraría una cantidad considerable de divisas, ganando en competitividad. También se podra evitar la construccion de grandes centrales a carbono y evitar la carbonizacion de la economía Chilena.

Introducción

Para que se pueda atender la demanda futura, se pueden crear las siguientes preguntas:

·         ¿Efectivamente necesitamos duplicar nuestra demanda eléctrica cada 10 años?

·         ¿Las Energías Renovables no Convencionales tienen un papel importante en el futuro energético de Chile? Y si es así, ¿en qué plazos y en qué proporción?

·         ¿Cuál es el papel que debiera desempeñar el ahorro y la eficiencia energética en nuestra matriz?

·         ¿La energía nuclear es una opción viable para Chile?

Los grandes intereses energéticos y económicos están realizando una fuerte campaña a través de los medios de comunicación planteando la idea de que la demanda energética de Chile se debe duplicar de aquí al 2020 y que de otro modo el país arriesga una crisis energética que nos dejaría a oscuras. Con ese argumento la solucion estaría en la implementacion de grandes proyectos como Hidroaysén y centrales a carbón similares a la Central Castilla sobredimensionando la capacidad del sistema.  Se a creado un mito basado en la demanda eléctrica que ya no corresponden a la actualidad, sino a décadas pasadas.

Para que la demanda eléctrica efectivamente se duplique entre el 2011 y 2020, ésta debe aumentar en un 7,1% al año. Esto claramente excede la tasa media de aumento de 1990 al 2007, en que el Sistema Interconectado Central  creció a una tasa de 5,4% y los valores entre 2007 a 2010 en que el consumo eléctrico se ha mantenido esencialmente estable pasando de 41.975 a 43.157 GWh. Esto implica un aumento de solo 2,65% en cuatro años.

En el 2010 el crecimiento del PIB fue del 5,2%, mientras que la tasa de aumento de la demanda eléctrica en ambos sistemas fue de solo 2,8% , lo que demuestra la creciente diferencia entre aumento del PIB y aumento de la demanda eléctrica. Esto es dato saludable que debe ser reforzado por las políticas públicas porque fortalece la competitividad del país y apuntaría en la dirección correcta de una transición hacia una mejor eficiencia energética de Chile.

 

Figura 1: Crecimiento Relativo de Demanda Eléctrica y PIB en Chile 1970-2010.

El supuesto principal de este escenario es que el Gobierno adopte una política proactiva para la Eficiencia Energetica y las Energias Renovables No Convencionales como primera y segunda prioridad de un plan estratégico nacional energético. Esto implica realizar políticas y programas que aceleren el ingreso tanto de estas. Si de verdad se fija como meta nacional un 20% de renovables hacia el 2020, es indispensable esta acción. En este caso la Eficiencia Energetica implica que se cumple un 75% de lo económicamente efectivo en el 2025. El hacerlo significa lograr 3.424 MW de potencia y un ahorro de 22.313 GWh al 2025.

El Escenario Verde

Por otra parte, bajo el escenario más realista de una tasa de crecimiento del 4,5% de la demanda eléctrica y si se removiesen los obstáculos para la expansión de la Eficiencia Energética  y las Energía Renovables No Convencionales, no se necesitaría una gran parte de la expansión en plantas térmicas con combustible fósil y varios otros proyectos hidráulicos en gran escala.

Este escenario considera lograr el 20% de la matriz eléctrica con ERNC para el 2020, conforme a lo declarado por el Gobierno del Presidente Sebastián Piñera, quién también propuso alcanzar un 20% de eficiencia energética en el mismo periodo.

El escenario verde elimina la necesidad de todas las plantas térmicas grandes y los grandes proyectos hidroeléctricos, incluyendo Hidroaysén. En el 2025 las Eficiencia Energética  y las Energía Renovables No Convencionales serían capaces de suministrar hasta el 35% de la demanda. Naturalmente el sistema SIC debe tener una capacidad de reserva térmica, en especial con plantas a gas para balancear fluctuaciones temporales o efectos hidrológicos.

A lo largo de este paper pudimos demostrar que Chile tiene un inmenso potencial para desarrollar las condiciones necesarias para que  la eficiencia energética y las Energia Renovables No Convencionales tengan un gran impacto  para establecer un sistema eléctrico nacional ambientalmente más sustentable. Dada la evolución tecnológica, parte significativa de los cambios ocurrirá de todas maneras, pero políticas proactivas permitirán un avance mucho más rápido hacia una matriz energética sustentable. Esta opción y una mayor proactividad del estado para generar las condiciones de ingreso y ampliación de las eficiencia energética y las Energia Renovables No Convencionales, impactarán positivamente en los costos de la electricidad, en el empleo, en la competitividad del país y su seguridad energética, además de avanzar hacia una mayor sustentabilidad social y ambiental del desarrollo energético del país.

 Amaru Gonzalez, Estudiante de Ingenieria Civil Mecanica, Universidad de Santiago de Chile

DESARROLLO SUSTENTABLE, UN DESAFIO ACTUAL Y FUTURO

         Chile al igual que todo el mundo se enfrenta a un gran desafío, en los últimos 50 años las altas tasas de crecimiento económico y demográfico han llevado a un agotamiento de los recursos a una velocidad alarmante. Hay quienes aseguran que ya es demasiado tarde para revertir dicha situación, sin embargo aun se está a tiempo para realizar cambios. Si bien no podremos volver el tiempo atrás, si podemos hacer que las cosas mejoren de aquí en adelante, y una forma de hacerlo es lograr el tan comentado “DESARROLLO SUSTENTABLE”, tarea que involucra a todos los actores de la sociedad desde los Gobiernos hasta cada una de las personas que la conforman. 

¿Qué es el Desarrollo Sustentable?

         Muchas veces se suele tener la confusión de que termino usar, si  sustentable o sostenible, este último concepto alude a lo que se mantiene, mientras que cuando hablamos de sustentable nos referimos al sustento necesario para vivir, el termino que se decida utilizar dependerá mucho de cada autor, en este caso se hablara de sustentable y se entenderá como la base para el desarrollo, mirado en sus tres ejes principales: social, ecológico y económico. La definición más usada para el concepto de “Desarrollo Sustentable” es la formulada en 1987 en el “Informe Brundtland” por la Comisión Mundial sobre el Medio Ambiente y Desarrollo (World commision on Environment and Development, Our commomn Future, Oxford University Press, 1987):

"Reunir las necesidades del presente sin comprometer la habilidad de las generaciones futuras de reunir sus propias necesidades"

         Es innegable que el crecimiento económico (medido como incremento del Pib o del ingreso per cápita) es un indicador y motor del desarrollo de un país, sin embargo no podemos reducir el desarrollo sustentable a solo este aspecto, debemos ser capaces de entender, compatibilizar y sincronizar el crecimiento económico como herramienta para la reducción de la pobreza y mejora de la calidad de vida de las personas teniendo siempre en cuenta la conservación de los recursos y el medio ambiente, es este el desafío actual  y futuro.

         En los últimos años ha tomado gran relevancia la conservación de los recursos, se han logrado cambios e importantes avances, pero aún falta mucho por hacer y mejorar.

        

         El individualismo, junto a la falta de visión de futuro para proyectar y concretar el crecimiento y desarrollo, han llevado a las comunidades y al planeta completo  a la compleja situación actual. Se hace imprescindible e impostergable la creación e implementación de políticas gubernamentales  que apunten a promover y lograr el desarrollo sustentable, la asimilación y cumplimiento de estas políticas por parte de las instituciones e industrias, que los lideres hagan propio este desafío, logren crear conciencia y mantener siempre latente este tema y por último, tal vez lo más importante, que las personas entiendan que lograr el desarrollo sustentable es tarea y obligación de todos y cada uno de los que conformamos la sociedad.

Fernando  Cortés Farrán

Ingeniería Civil en Obras Civiles

Universidad de Santiago de Chile

Validación de solución analítica para desempeño de Aletas, 

mediante solución matemática y numérica

José Miguel Bravo Díaz

 

Universidad de Santiago de Chile, Facultad de Ingeniería.

Departamento de Ingeniería Mecánica. Programa de: Pregrado.

Santiago, Chile

 Junio 2012

Resumen

    A continuación, se presentará el estudio de desempeño de superficies expandidas (Aletas). El objetivo específico es comparar para una aleta recta de sección transversal uniforme, soluciones analíticas, matemáticas y numéricas de distribución de temperatura, a lo largo de una aleta para un caso unidimensional.

Palabras clave: Aleta, superficie extendida, exceso de temperatura, distribución de temperatura y calor, solución analítica, matemática y numérica.

1. Introducción

   La frase superficie extendida se usa normalmente con referencia a un sólido que experimenta transferencia de energía por conducción dentro de sus límites, así como transferencia de energía por convección (y/o radiación) entre sus límites y los alrededores.

Considerando una pared plana sometida a enfriamiento por convección, donde la temperatura del sólido es fija, existen dos formas en las que es posible aumentar la transferencia de calor. El coeficiente de convección h podría aumentarse incrementando la velocidad del fluido, y/o podría reducirse la temperatura del fluido. Sin embargo, en muchas situaciones, al aumentar h al valor máximo posible, es insuficiente para obtener la transferencia de calor que se desea o en la que los costos asociados son prohibitivos. Estos costos están relacionados a requerimientos de potencia de un ventilador o bomba. La segunda opción, de reducir la temperatura del fluido, a menudo es poco práctica.  Sin embargo, existe una tercera opción, donde la transferencia de calor se incrementa aumentando el área de la superficie a través de la cual ocurre la convección. Esto se logra con el empleo de aletas que se extienden desde la pared del sólido al fluido circundante.

   La conductividad térmica del material de la aleta, tiene fuerte efecto sobre la distribución de temperaturas a lo largo de ésta y, por lo tanto, influye en el grado al que la transferencia de calor aumenta. Idealmente, el material de la aleta debe tener una conductividad térmica grande, para minimizar variaciones de temperatura desde la base hasta la punta. En el límite de la conductividad térmica infinita, toda la aleta estaría a la temperatura de la base de la superficie, proporcionando con ello el máximo aumento posible de transferencia de calor.  

1.1.    Suposiciones

Para realizar el estudio se hacen las siguientes suposiciones:

Ø  Condición de conducción 1D, dirección longitudinal X. Aunque sabemos que la conducción es bidimensional, en la práctica la aleta es delgada y los cambios de temperatura en la dirección longitudinal son mucho más grandes que los de la dirección transversal. Condición de estado estable.

Ø  Conductividad térmica constante.

Ø  Radiación desde la superficie despreciable.

Ø  Efectos de generación de calor ausentes.

Ø  Coeficiente de transferencia de calor por convección h, es uniforme sobre la superficie y temperatura del flujo constante.

2. Problema

   Tanto para el estudio y análisis de la distribución de temperatura a lo largo de la aleta de la Figura 1, como el flujo de calor en ésta, tenemos 4 alternativas de condiciones de contorno en el extremo libre de la aleta. Estas son: transferencia de calor por convección, pérdida de calor convectiva en el extremo insignificante (adiabática), temperatura prescrita en el extremo y Aleta infinita.

   Seleccionaremos el estudio de una aleta donde existe una temperatura prescrita en el extremo libre y con ello se determinarán las condiciones de contorno consistentes con el caso.

  Figura 1. Aleta sección transversal uniforme

2.1 Planteamiento del problema:

2.1.1 Ecuación gobernante:

Pero, para una aleta rectangular de sección uniforme:

Luego:

   Definiendo el exceso de temperatura y el parámetro m, respectivamente:

   La ecuación diferencial homogénea de segundo orden con coeficientes constantes a resolver será:

Solución general:

Condiciones de contorno:

3. Solución analítica:

Resolviendo para C1 y C2 y evaluando en θ(x):

  

   Volviendo a la variable T(x), la distribución de temperatura será:

 4. Solución matemática:

   Se entrega la solución matemática, donde se establece la ecuación diferencial de segundo orden que gobierna el fenómeno, con las condiciones de borde ya conocidas.

   Volviendo a la variable T(x), la distribución de temperatura es:

5. Solución numérica:

   Se modela el problema establecido anteriormente, entregando la solución numérica obtenida mediante el software Comsol 4.1.

    Para obtener una solución numérica, se modela la aleta con una malla extrafina, de 6812 elementos tetraédricos, con el fin de minimizar el error en la aproximación.

    Las condiciones de contorno, son consistentes con las señaladas en el planteamiento del problema.

    La distribución de temperatura es:

   Gráficamente:

6. Validación

   Finalmente, para la distribución de temperatura a lo largo de nuestra aleta en estudio, podemos comparar gráficamente las 3 soluciones obtenidas anteriormente (Analítica, Matemática y Numérica):

  

7. Conclusiones

   Dado que la ecuación diferencial que gobierna el fenómeno de conducción unidimensional posee  solución analítica (solución exacta), al comparar la distribución de temperatura a lo largo de una aleta recta de sección transversal uniforme gráficamente,  con las soluciones matemática y numérica, se logra observar claramente al superponer las 3 curvas, que las soluciones aproximadas calculadas por un computador que utiliza métodos numéricos, siguen exactamente la misma tendencia de la solución analítica.

   Esto se debe a que el problema es relativamente sencillo, dado que la ecuación que gobierna el fenómeno físico es una ecuación diferencial homogénea y los resultados numéricos obtenidos convergen rápidamente.

8. Comentarios y observaciones

   Para el análisis propuesto en éste trabajo se utilizaron 3 softwares:

Análisis analítico – Mathcad 14

Análisis numérico -  Comsol 4.1

Modelos geométricos – Solidworks 2010

9. Bibliografía

-          Fundamentos de Transferencia de Calor, Frank Incropera (Cuarta Edición).