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ELECTRICIDAD
  DESDE ESTACION
  ESPACIAL SOLAR
  (EEES o SBPS)
Material para la asignatura “Tecnología de la Energía”, Post grado
“Economía y Políticas Energéticas (UNIMET)”. Prof: Ing. Nelson Hernández
Primer huella del hombre en la Luna. Foto de la        El astronauta Aldrin rinde tributo a la bandera de los
huella de la bota del astronauta Aldrin (julio 1969)   Estados Unidos izada en la Luna (julio 1969)



   … Se cumplen 40 años de uno de los grandes anhelos del hombre, “la conquista
   del espacio”. Hoy de nuevo estamos viendo, como tanta veces hemos hecho en
   busca de respuesta a nuestros problemas individuales o colectivos, hacia el cielo
   para solventar la problemática energética mediante estaciones espaciales para
   la conversión de la luz solar en electricidad.
Consumo mundial de electricidad nocturna
Emisión CO2
    Pronostico Consumo Mundial de Energía al 2030
                                                                                     Total = 33.5
                                                  Total = 310 MMBDPE                millardos TM
 PETROLEO (34 %)             3%
                                                                                          4%
                                   8%
                                                      ELECTRICIDAD (40 %)                    29 %
                                                                                      67 %

                         72 %                                                                   37 %


                                          33
 CARBON (20 %)



                                              %
                              28
                                 %                                                           39 %
                                                      RES/COMERC (13 %)
                                          56
                                             %
                                                                                       61 %
                     %
                  45
                             19 %
 GAS (25 %)                               %
                        35 %         35                                                         8%
                                             %
                                          49
                         2%
                                                                                      32 % 41 %
                                        15 %          INDUSTRIAL (27 %)
RENOVABLES (11 %)
                              1%                                                        27 %

                                                                                               32 %
                        0%
                      10




 NUCLEAR (8 %)
                                                                                        99 %
                                                      TRANSPORTE (20 %)
                 %0
               10




EOLICA+SOLAR                                                                                   23 %
                                                     Fuente: Exxon - Mobil   Elaboración: N. Hernández
(2 %)
Generación mundial de electricidad por tipo de combustible


                                                                    2030
                                                                        2.8%



                                                            20.5%
                                                                               21.4%
                2006
                      5.0%
                                                        11.9%
              18.9%
                        20.0%

        15.0%                                                          43.4%

                  41.1%



                18 TWh                                           31.8 TWh
                             Petróleo        Gas natural  Carbón
                                     Nuclear    Renovable

Fuente: EIA                                                         Elaboración: Nelson Hernandez
Población mundial
    Millones



                                              Historia Pronostico
    10000
                                                                                      9558
                                                                                .)
                                                                            I.A
     8000                                                              6%
                                       6540                    l   (0.9
                                                          Tota
     6000
                                       I.A
                                   %
                              1.63                     No OECD (1.01 % I.A.)
     4000

              2556              1. 87 % I.A
     2000
                                                                                      1315
              668
                                0. 69 % I.A                OECD (0.70 % I.A.)
         1950       60   70     80       90    00    10       20      30             40   50



Fuente: EIA/IDB                                                         Elaboración: Nelson Hernandez
Generación mundial de electricidad

         TWh
        35
                                                                                    31.7
                                   Historia Pronostico
        30
                                                                        .
                                                                 I .A
                                                             %
        25                                            2 .4

        20                                                                          18.5
                                                                                .
                                           18.0                             I .A
                                                                    %
        15                                                   3 .5

                                           9.9                                      13.2
        10                                                    1.2 % I.A.
               8.0
               5.4                         8.1
          5
               2.6
          0
              80     85   90  95   00     05     10     15           20   25          30
                      No OECD           OECD                        Total


Fuente: EIA                                                         Elaboración: Nelson Hernandez
Proyección índices globales

  TWh              Energía total                                 Millones
                                                                                         Población
  250                                                          10000
                                                                9000
   200                                                          8000
                                                                7000
   150                                                          6000
                                                                5000                         1.014 % I.A.
                             1.011 % I.A.
   100                                                          4000
                                                                3000
    50                                                          2000
                                                                1000
     0 05   10    15    20    25    30 35    40    45    50
                                                                    05      10    15    20    25     30 35      40   45    50
  Kwh/hab.
                                                                Kwh/hab.
 15200                  Energía consumo                                            Energía generación
                                                                9200
 15000                     otros usos                           9000                  electricidad
 14800                                                          8800
 14600                                                          8600
 14400                                                          8400
 14200                                                          8200
 14000                                                          8000
 13800                                                          7800
 13600                                                          7600
 13400                                                          7400
 13200                                                          7200
 13000 05    10    15    20    25    30 35    40    45    50
                                                                       05    10    15    20     25    30   35    40   45    50
Fuente: EIA/IDB                                                                              Elaboración: Nelson Hernandez
Eficiencia energética



                                        Energía primaria obtenida
                               25 %
                                        de la naturaleza: 400 EJ
                                        anual = 62.2 x 109 BPE
     37.5 %
                                        Entrega al usuario final:
                        50 %
                                        300 EJ anual = 46.65 x 109
                                        BPE


                                        El    usuario    final    lo
                                        transforma y solo usa 150
                                        EJ anual = 23.32 x 109 BPE




EJ = Exa joule = 1018 joule
                                                  Elaboración: N. Hernández
Retos de la humanidad


Población
Para el 2025, el mundo habrá añadido 2 millardos de personas a los
6.8 hoy existentes. El 56 % de la población vivirá en Asia y el 66%
estará situada en áreas urbanas cercanas a la costa




Energía
La energía crece en menor proporción que la población. El pico de
producción de los combustibles fósiles esta presente y causara
inestabilidad social y económica de manera globalizada.

Tres aspectos a considerar:

• Combustibles para mover el transporte de personas y el de
productos y equipos
• Fuente energética para la carga base eléctrica
• Gerencia de los picos de demanda eléctrica
Retos de la humanidad

Cambio climático
Incremento de la emisión de CO2 que alteraría el clima en la tierra
con las siguientes consecuencia:
• Aumento del nivel de los mares y océanos con las perdidas de áreas
costeras
• Mayor frecuencia e intensidad de tormentas tropicales con alto
impactos en la agricultura, causando migraciones de seres humanos.
• Disminución de la fortaleza de la soberanía de países, teniendo
cabida los conflictos étnicos y religiosos para garantizar la
supervivencia




Tecnología
La energía requiere una mayor dedicación de los países, sobre todos
de los desarrollados, de sus presupuestos y políticas para alcanzar el
estadio de la “energía sostenible”
Necesidad de adecuar el sistema energético mundial

Sistema Actual
1 millardo de personas utiliza una cantidad de energía equivalente
mayor o igual a 2 kWe por persona
• 5 millardos de personas utiliza una cantidad de energía equivalente
menor o igual a 0.6 kWe por persona
• El conjunto global de consumo es de unos 220 MMBD de petróleo
equivalente o 4.8 x 1012 We (TWe)
• La mayor cantidad de energía utilizada es no renovable,
contaminante, políticamente sensitivas y costosas para muchas
personas



Nuevo Sistema
• Si cada persona consume al menos 2 kWe, en el 2050 los 10
millardos consumirían 20 TWe
• Si deseamos que la especie humana perdure en la tierra el sistema
energético que necesita la humanidad debe ser: limpio, seguro,
sostenible y de bajo costo
El sol fuente inagotable de energía



Las diferentes fuentes energéticas existentes en la tierra tienen su
origen, directa o indirectamente, de la energía que recibe la tierra
del sol:
Eólica
Solar térmica
Solar PV
Bio combustibles
Hidroeléctrica
Maremotriz
Geotérmica
Fósiles
Nuclear
Potencial físico de energías renovables



                                                                   Radiación solar (tierra) = 1800 CPEG

                                                                   Energía Eólica = 200 CPEG

                                                                   Biomasa = 20 CPEG

                                                                   Energía Geotérmica = 10 CPEG
                                                                   Energía Oceánica y de Oleaje = 2 CPEG

                                                                   Energía Hidráulica = 1 CPEG

                                                                   Consumo Primario actual de Energía
                                                                   Global




Fuente: Nitsch, F. (2007): Technologische und energiewirtschaftliche
Perspektiven erneuerbarer Energien. Deutsches Zentrum für Luft-
und Raumfahrt.
                                                                                  Elaboración: N. Hernández
Perfil de una nueva fuente energética



      Como complemento de las existentes, la nueva fuente energética
      debe ser:
      • No agotable, para prevenir conflictos futuros
      • Ambientalmente limpia, para garantizar un mundo sostenible

      • Continuamente disponible, para proporcionar la seguridad de
      carga base para todos los usuarios
      • De uso directo, para permitir su uso eficiente con minima
      infraestructura
      • De bajo costo, para un mayor acceso de todas las poblaciones
      • De concretización en los próximos 20 a 30 años




Fuente: nns.org                                            Elaboración: N. Hernández
¿ Cuales son las opciones energéticas?



                      Limpia?    Segura?              Confiable?                 Carga Base?

   Fósiles              No         Si              Inminente pico                      Si
   Nuclear              No         Si      Costos, Disponibilidad, Políticas           Si
   Eólica               Si         Si             No, intermitente                    No
   Geotermal            Si         Si        No, Disponibilidad limitada               Si
   Solar terrestre      Si         Si             No, intermitente                    No
   Hidráulica           Si         Si      No, Sequías, Planificación compleja
   Bio-combustibles     Si         Si      Capacidades limitadas. Pobre rendimiento
                                           energético ( EROEI)
   SBSP o EEES          Si         Si                     Si                           Si




Fuente: nns.org                                                            Elaboración: N. Hernández
¿ Que es SBSP o EEES?
La energía eléctrica espacial solar (EEES) o Space Base Solar Power (
SBSP), es la energía solar capturada en el espacio mediante grandes
arreglos de celdas fotovoltaicas y transmitida a la tierra vía microonda
(Wi Tricity) o de rayo láser a un receptor en la tierra (redtecnna) donde se
convierte en energía eléctrica de carga base, o de energía de carga de
baja intensidad, o en energía sintética.


La luz del sol capturada en el espacio es más eficaz en el abastecimiento
de energía continua de carga base comparada con la energía solar
capturada en la tierra.

EEES ha sido estudiado desde los años
70 por DOE, NASA, ESA, y JAXA, pero
“ha caído generalmente a través de las
grietas” debido a que no ha existido una
organización       responsable      para
desarrollar e implementar programas
espaciales y de seguridad energética.
Sin embargo, el presidente Obama
contempla dentro de sus programa
energético el desarrollo en los próximos
10 años de un prototipo semi comercial.
¿Cómo funciona el
 EEES?



                                  Los paneles solares del satélite
                                  capturan la energía de la luz solar
                                  y la envían a la tierra utilizando la
                                  tecnología      de      transmisión
                                  inalámbrica vía microondas



   Señales recibidas desde la
   antena receptora terrestre
   (verde) permiten al satélite
   corregir continuamente la
   dirección de envío de
   energía al punto receptor

Fuente: nns.org                                      Elaboración: N. Hernández
Ventajas del EEES

                               • Menos atmosfera permite
                               obtener mayor energía por
                               área
                               • Cualquier lugar de la tierra
                               puede recibir la energía solar
                               obtenida del EEES
                               • La     estación    puede
                               proporcionar energía 96 %
                               del tiempo
                               • Los paneles solares no
                               ocupan superficie terrestre
                               • Suficiente   espacio       en     el
                               espacio
                               • Promueve      el  desarrollo
                               espacial, solar y transmisión
                               de la energía inalámbrica
                  Foto: Nasa
Fuente: nns.org                               Elaboración: N. Hernández
Ventajas del EEES




                               • No es necesario equipos de
                               almacenamiento de energía
                               (baterías)
                               • El  calor    generado          es
                               arrojado al espacio
                               • No contaminación del agua
                               o aire al producir la energía
                               • Requieren de poco personal
                               para     operarlas      y    las
                               rectecnnas permiten, debajo
                               de ellas, el desarrollo agrícola



                  Foto: Nasa
Fuente: nns.org                              Elaboración: N. Hernández
Ultima caminata espacial en la reparación del telescopio Hubble (17-05-09)
Comparación EEES vs solar terrestre
                           Intensidad Solar    No hay     Minima acción del
                             1366 W/m2         noche           tiempo




         Solar espacial




                          60 % mas eficiente
                            Intensidad Solar     12 h
                                                          Perdidas por mal
                              1000 W/m2        de noche        tiempo




        Solar Terrestre




Fuente: nns.org                                                  Elaboración: N. Hernández
Electricidad Estación Espacial
Solar (EEES)




                             … Algunas dimensiones
Concepto básico de una EEES




Siempre
orientada hacia la
tierra




                                          Orbita geo estacionaria
                                          24 horas
                                          36000 Km en el ecuador



                          Siempre
              EEES   orientado hacia el
                             sol

                                               Elaboración: N. Hernández
Midiendo la potencialidad de EEES
                                                    365 días

                                                               35786 Km




                                1 Km
                  35786 Km




                                             1 Tw/día * 365 días/año = 365 Tw-año
                                               Ajuste de eficiencia, posición geo
   EEES estacionario                            espacial de la EEES y corrección
                                                       de tiempo orbital


  Reservas mundiales de petróleo (2008)
  1258 millardos de barriles = 244 Tw                 212 Tw-año


 Tw = 10 12 watios
                       Cada Km de la banda recibe cada año 212 Tw, el 87 %,
                       equivalente energéticamente a todas las reservas de
                       petróleo para el 2008
Fuente: nns.org                                                  Elaboración: N. Hernández
Fuente: nns.org
Prototipo de una EEES para 5 Gw-año

                                     E = A*D* Fc * 365
                                     E = 2 * 8 * 1.4 * 0.58 * 365 = 4.8 Gw-año


                             S
                          EEE

                    2K                   Km
                      m              8




                                                         Rectenna:     Antena terrestre
                                                         rectificadora para convertir
                                                         directamente energía en forma
                                                         de microondas a electricidad
                                                         directa (DC)
                                        Km
                                     10




Conversión de
corriente DC a AC                   13 Km

                                                                 Elaboración: N. Hernández
¿Qué significa una EEES de 5 Gw-año?



                   2006.Capacidad    Cantidad de
                   Instalada (Gw)   EEES de 5 Gw
Mundo                  4034             807

Estados Unidos          986             198

China                   518             104

Japon                   251             51

Rusia                   218             44

Alemania                120             24

Brasil                  93              19

Venezuela               22               5
Algunos problemas a resolver con respecto a la Rectenna




 • Su cercanía necesaria a las ciudades para minimizar perdidas
 operacionales
 • Utilización de áreas significativas para su instalación
 • Aunque es la misma cantidad por exposición asociada a
 teléfonos celulares y uso del microonda, resistencia de la
 población por posibles efectos a la salud
 • Interferencia con otros equipos y dispositivos electrónicos
Los equipos de generación eléctrica (molinos o celdas solares) a gran
escala solo proporcionan entre 25 a 30 % de la carga diaria, mientras
que en la EEES es disponible en un 99 % todo el año en una orbita
estacionaria por lo que puede ser utilizada como carga base. Las
plantas eléctricas de carbón o nucleares pueden proporcionar carga
base en un 90 % al año.
Por otra parte, la EEES no requiere de ningún combustible por lo que
hay cero contaminación. EEES es la fuente energética mas limpia y con
una carga base ilimitada.
Una aproximación económica de una EEES
Costo ($/Kwh)
 0.40
                 C = 0.008 * I
0.35
               Donde,
               I, en miles de $
 0.30
               C, $/Kwh

0.25

 0.20
                                          Premisas
0.15                                      • Sustitución de una planta a carbón
                                          • Costo operación = 3 % de la inversión
 0.10                                     • Horizonte económico = 20 años
                                          • Depreciación = línea recta
0.05                                      • Beneficio por no emisión de CO2 = 50 $/tonelada
                                          • Emisión teórica de CO2 = 1.35 T/Mwh

       0
           0                  20000               40000                          60000
                                  Inversión ($/Kw)
Costo Generación de Electricidad ($/Kwh)

           Torre Solar + Paneles PV        0.044
                            Torre Solar     0.052
                          Planta a Gas              0.131
            Solar Concentrada (PV)                    0.143
                            Geotérmica                 0.153
                            Maremotriz                 0.156
                      Planta a Carbón                  0.161
                        Parque Eólico                            0.250
                                Solar PV                         0.250
                                 Nuclear                         0.263
       Carbón (75 % de secuestro)                                0.265


Elaboración: Nelson Hernández
Proyecto SPS 2000

      Proyecto energético (no espacial) desarrollado por Japón




                                 Satélite LEO (orbitando a 1100 Km)
                                 Orbitas al día: 16
                                 Capacidad: 10 Mw
                                 Costo: Entre 100 – 300 MM$
                                 Rectennas: En el ecuador
                                 Energía: entrega 200 segundos de
                                 energía por cada orbita (100 Kwh)



Mas información : http://www.spacefuture.com/power/sps2000.shtml
Posibles diseños
Electricidad Estacion Espacial Solar (EEES) (SBSP) (SSP)
Electricidad Estacion Espacial Solar (EEES) (SBSP) (SSP)
Electricidad Estacion Espacial Solar (EEES) (SBSP) (SSP)
Cráter Plum en la Luna

                                                                  Foto NASA:
                                                                  La nave Apolo 16 pasó tres días
                                                                  en la Luna en Abril de 1972,
                                                                  siendo la quinta de seis
                                                                  misiones     alunizadoras.     La
                                                                  Apolo 16 fue famosa por
                                                                  instalar y utilizar un telescopio
                                                                  ultravioleta en lo que fue el
                                                                  primer observatorio lunar, y
                                                                  por recolectar rocas y datos
                                                                  sobre las misteriosas tierras
                                                                  altas de la Luna.

                                                                  En esta foto, el astronauta
                                                                  John W. Young fotografía a
                                                                  Charles    M.     Duke,    Jr.
                                                                  recolectando    muestras    de
                                                                  rocas en el sitio de alunizaje
                                                                  Descartes.
Duke está cerca del    cráter Plum, mientras que el vehículo explorador lunar espera aparcado
en el trasfondo.
El vehículo explorador lunar permitió que los astronautas viajaran grandes distancias para
investigar las características superficiales y recolectar rocas. Mientras tanto, arriba, Thomas K.
Mattingly orbita en el Módulo de Comando.
La luna como Estación Eléctrica Espacial Solar
                               (EEES o SBPS)
Polo Norte
Orbita lunar
                          • Los rayos del sol son siempre horizontales
                          en el polo Norte y Polo Sur
                          • Nunca hay luz en los cráteres
                          • Siempre hay luz en las montañas


               Polo Sur

                   Generación eléctrica solar
                   en el tope de la montaña
  Comunicación
     directa                          Transmisión inalámbrica
                                      por robots desde los
                                      cráteres
Lecciones aprendidas


• La electricidad es la forma de energía
que mas utiliza la humanidad
• El crecimiento de la población
mundial, las necesidades energéticas y
el impacto al hábitat del hombre
requiere de un nuevo esquema
energético mundial
• El perfil de la nueva fuente energética
debe     ser:    no   agotable,   limpia,
disponibilidad continua, de uso directo
y de bajo costo.
• De las opciones energéticas actuales
la EEES es la que mejor cumple con el
perfil buscado
• El desarrollo comercial de EEES
requiere del interés y apoyo de las
instituciones       gubernamentales,
especialmente,    de    los  países
desarrollados
… Si ya se hizo una vez


                                                        La decisión de ir a la luna:
                                                         Discurso del 25 de mayo
                                                        de 1961 del presidente
                                                        John F. Kennedy antes de
                                                        una sesión común del
                                                        congreso, en Washington
                                                        DC, de los E.E.U.U. El Vice
                                                        presidente          Lyndon
                                                        Johnson (izquierda) y el
                                                        vocero de la Casa Blanca,
                                                        Sam Rayburn (derecha).
                                                        Durante    este  discurso,
                                                        Kennedy hizo la siguiente
                                                        declaración famosa:

" … Creo que esta nación debe confiar en alcanzar la meta, antes de que esta década
finalice, de poner a un hombre en la luna y de regresarlo con seguridad a la tierra. No
hay proyecto espacial, en este período, que impresione mas a la humanidad, o más
importante en la exploración del espacio a largo alcance; y ninguno será tan difícil o
costoso de lograr como el primer viaje a la luna … ".

El aterrizaje de luna fue alcanzado en julio de 1969.
… por que no hacerlo nuevamente
                                  … por que no hacerlo nuevamente




Foto NASA: Los astronautas
Robert Curbeam y Christer
Fuglesang     trabajan  en   la
estación espacial internacional
mientras ésta sobrevuela Nueva
Zelanda (diciembre 2006)
… Muchas Gracias

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Electricidad Estacion Espacial Solar (EEES) (SBSP) (SSP)

  • 1. ELECTRICIDAD DESDE ESTACION ESPACIAL SOLAR (EEES o SBPS) Material para la asignatura “Tecnología de la Energía”, Post grado “Economía y Políticas Energéticas (UNIMET)”. Prof: Ing. Nelson Hernández
  • 2. Primer huella del hombre en la Luna. Foto de la El astronauta Aldrin rinde tributo a la bandera de los huella de la bota del astronauta Aldrin (julio 1969) Estados Unidos izada en la Luna (julio 1969) … Se cumplen 40 años de uno de los grandes anhelos del hombre, “la conquista del espacio”. Hoy de nuevo estamos viendo, como tanta veces hemos hecho en busca de respuesta a nuestros problemas individuales o colectivos, hacia el cielo para solventar la problemática energética mediante estaciones espaciales para la conversión de la luz solar en electricidad.
  • 3. Consumo mundial de electricidad nocturna
  • 4. Emisión CO2 Pronostico Consumo Mundial de Energía al 2030 Total = 33.5 Total = 310 MMBDPE millardos TM PETROLEO (34 %) 3% 4% 8% ELECTRICIDAD (40 %) 29 % 67 % 72 % 37 % 33 CARBON (20 %) % 28 % 39 % RES/COMERC (13 %) 56 % 61 % % 45 19 % GAS (25 %) % 35 % 35 8% % 49 2% 32 % 41 % 15 % INDUSTRIAL (27 %) RENOVABLES (11 %) 1% 27 % 32 % 0% 10 NUCLEAR (8 %) 99 % TRANSPORTE (20 %) %0 10 EOLICA+SOLAR 23 % Fuente: Exxon - Mobil Elaboración: N. Hernández (2 %)
  • 5. Generación mundial de electricidad por tipo de combustible 2030 2.8% 20.5% 21.4% 2006 5.0% 11.9% 18.9% 20.0% 15.0% 43.4% 41.1% 18 TWh 31.8 TWh Petróleo Gas natural Carbón Nuclear Renovable Fuente: EIA Elaboración: Nelson Hernandez
  • 6. Población mundial Millones Historia Pronostico 10000 9558 .) I.A 8000 6% 6540 l (0.9 Tota 6000 I.A % 1.63 No OECD (1.01 % I.A.) 4000 2556 1. 87 % I.A 2000 1315 668 0. 69 % I.A OECD (0.70 % I.A.) 1950 60 70 80 90 00 10 20 30 40 50 Fuente: EIA/IDB Elaboración: Nelson Hernandez
  • 7. Generación mundial de electricidad TWh 35 31.7 Historia Pronostico 30 . I .A % 25 2 .4 20 18.5 . 18.0 I .A % 15 3 .5 9.9 13.2 10 1.2 % I.A. 8.0 5.4 8.1 5 2.6 0 80 85 90 95 00 05 10 15 20 25 30 No OECD OECD Total Fuente: EIA Elaboración: Nelson Hernandez
  • 8. Proyección índices globales TWh Energía total Millones Población 250 10000 9000 200 8000 7000 150 6000 5000 1.014 % I.A. 1.011 % I.A. 100 4000 3000 50 2000 1000 0 05 10 15 20 25 30 35 40 45 50 05 10 15 20 25 30 35 40 45 50 Kwh/hab. Kwh/hab. 15200 Energía consumo Energía generación 9200 15000 otros usos 9000 electricidad 14800 8800 14600 8600 14400 8400 14200 8200 14000 8000 13800 7800 13600 7600 13400 7400 13200 7200 13000 05 10 15 20 25 30 35 40 45 50 05 10 15 20 25 30 35 40 45 50 Fuente: EIA/IDB Elaboración: Nelson Hernandez
  • 9. Eficiencia energética Energía primaria obtenida 25 % de la naturaleza: 400 EJ anual = 62.2 x 109 BPE 37.5 % Entrega al usuario final: 50 % 300 EJ anual = 46.65 x 109 BPE El usuario final lo transforma y solo usa 150 EJ anual = 23.32 x 109 BPE EJ = Exa joule = 1018 joule Elaboración: N. Hernández
  • 10. Retos de la humanidad Población Para el 2025, el mundo habrá añadido 2 millardos de personas a los 6.8 hoy existentes. El 56 % de la población vivirá en Asia y el 66% estará situada en áreas urbanas cercanas a la costa Energía La energía crece en menor proporción que la población. El pico de producción de los combustibles fósiles esta presente y causara inestabilidad social y económica de manera globalizada. Tres aspectos a considerar: • Combustibles para mover el transporte de personas y el de productos y equipos • Fuente energética para la carga base eléctrica • Gerencia de los picos de demanda eléctrica
  • 11. Retos de la humanidad Cambio climático Incremento de la emisión de CO2 que alteraría el clima en la tierra con las siguientes consecuencia: • Aumento del nivel de los mares y océanos con las perdidas de áreas costeras • Mayor frecuencia e intensidad de tormentas tropicales con alto impactos en la agricultura, causando migraciones de seres humanos. • Disminución de la fortaleza de la soberanía de países, teniendo cabida los conflictos étnicos y religiosos para garantizar la supervivencia Tecnología La energía requiere una mayor dedicación de los países, sobre todos de los desarrollados, de sus presupuestos y políticas para alcanzar el estadio de la “energía sostenible”
  • 12. Necesidad de adecuar el sistema energético mundial Sistema Actual 1 millardo de personas utiliza una cantidad de energía equivalente mayor o igual a 2 kWe por persona • 5 millardos de personas utiliza una cantidad de energía equivalente menor o igual a 0.6 kWe por persona • El conjunto global de consumo es de unos 220 MMBD de petróleo equivalente o 4.8 x 1012 We (TWe) • La mayor cantidad de energía utilizada es no renovable, contaminante, políticamente sensitivas y costosas para muchas personas Nuevo Sistema • Si cada persona consume al menos 2 kWe, en el 2050 los 10 millardos consumirían 20 TWe • Si deseamos que la especie humana perdure en la tierra el sistema energético que necesita la humanidad debe ser: limpio, seguro, sostenible y de bajo costo
  • 13. El sol fuente inagotable de energía Las diferentes fuentes energéticas existentes en la tierra tienen su origen, directa o indirectamente, de la energía que recibe la tierra del sol: Eólica Solar térmica Solar PV Bio combustibles Hidroeléctrica Maremotriz Geotérmica Fósiles Nuclear
  • 14. Potencial físico de energías renovables Radiación solar (tierra) = 1800 CPEG Energía Eólica = 200 CPEG Biomasa = 20 CPEG Energía Geotérmica = 10 CPEG Energía Oceánica y de Oleaje = 2 CPEG Energía Hidráulica = 1 CPEG Consumo Primario actual de Energía Global Fuente: Nitsch, F. (2007): Technologische und energiewirtschaftliche Perspektiven erneuerbarer Energien. Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt. Elaboración: N. Hernández
  • 15. Perfil de una nueva fuente energética Como complemento de las existentes, la nueva fuente energética debe ser: • No agotable, para prevenir conflictos futuros • Ambientalmente limpia, para garantizar un mundo sostenible • Continuamente disponible, para proporcionar la seguridad de carga base para todos los usuarios • De uso directo, para permitir su uso eficiente con minima infraestructura • De bajo costo, para un mayor acceso de todas las poblaciones • De concretización en los próximos 20 a 30 años Fuente: nns.org Elaboración: N. Hernández
  • 16. ¿ Cuales son las opciones energéticas? Limpia? Segura? Confiable? Carga Base? Fósiles No Si Inminente pico Si Nuclear No Si Costos, Disponibilidad, Políticas Si Eólica Si Si No, intermitente No Geotermal Si Si No, Disponibilidad limitada Si Solar terrestre Si Si No, intermitente No Hidráulica Si Si No, Sequías, Planificación compleja Bio-combustibles Si Si Capacidades limitadas. Pobre rendimiento energético ( EROEI) SBSP o EEES Si Si Si Si Fuente: nns.org Elaboración: N. Hernández
  • 17. ¿ Que es SBSP o EEES? La energía eléctrica espacial solar (EEES) o Space Base Solar Power ( SBSP), es la energía solar capturada en el espacio mediante grandes arreglos de celdas fotovoltaicas y transmitida a la tierra vía microonda (Wi Tricity) o de rayo láser a un receptor en la tierra (redtecnna) donde se convierte en energía eléctrica de carga base, o de energía de carga de baja intensidad, o en energía sintética. La luz del sol capturada en el espacio es más eficaz en el abastecimiento de energía continua de carga base comparada con la energía solar capturada en la tierra. EEES ha sido estudiado desde los años 70 por DOE, NASA, ESA, y JAXA, pero “ha caído generalmente a través de las grietas” debido a que no ha existido una organización responsable para desarrollar e implementar programas espaciales y de seguridad energética. Sin embargo, el presidente Obama contempla dentro de sus programa energético el desarrollo en los próximos 10 años de un prototipo semi comercial.
  • 18. ¿Cómo funciona el EEES? Los paneles solares del satélite capturan la energía de la luz solar y la envían a la tierra utilizando la tecnología de transmisión inalámbrica vía microondas Señales recibidas desde la antena receptora terrestre (verde) permiten al satélite corregir continuamente la dirección de envío de energía al punto receptor Fuente: nns.org Elaboración: N. Hernández
  • 19. Ventajas del EEES • Menos atmosfera permite obtener mayor energía por área • Cualquier lugar de la tierra puede recibir la energía solar obtenida del EEES • La estación puede proporcionar energía 96 % del tiempo • Los paneles solares no ocupan superficie terrestre • Suficiente espacio en el espacio • Promueve el desarrollo espacial, solar y transmisión de la energía inalámbrica Foto: Nasa Fuente: nns.org Elaboración: N. Hernández
  • 20. Ventajas del EEES • No es necesario equipos de almacenamiento de energía (baterías) • El calor generado es arrojado al espacio • No contaminación del agua o aire al producir la energía • Requieren de poco personal para operarlas y las rectecnnas permiten, debajo de ellas, el desarrollo agrícola Foto: Nasa Fuente: nns.org Elaboración: N. Hernández
  • 21. Ultima caminata espacial en la reparación del telescopio Hubble (17-05-09)
  • 22. Comparación EEES vs solar terrestre Intensidad Solar No hay Minima acción del 1366 W/m2 noche tiempo Solar espacial 60 % mas eficiente Intensidad Solar 12 h Perdidas por mal 1000 W/m2 de noche tiempo Solar Terrestre Fuente: nns.org Elaboración: N. Hernández
  • 23. Electricidad Estación Espacial Solar (EEES) … Algunas dimensiones
  • 24. Concepto básico de una EEES Siempre orientada hacia la tierra Orbita geo estacionaria 24 horas 36000 Km en el ecuador Siempre EEES orientado hacia el sol Elaboración: N. Hernández
  • 25. Midiendo la potencialidad de EEES 365 días 35786 Km 1 Km 35786 Km 1 Tw/día * 365 días/año = 365 Tw-año Ajuste de eficiencia, posición geo EEES estacionario espacial de la EEES y corrección de tiempo orbital Reservas mundiales de petróleo (2008) 1258 millardos de barriles = 244 Tw 212 Tw-año Tw = 10 12 watios Cada Km de la banda recibe cada año 212 Tw, el 87 %, equivalente energéticamente a todas las reservas de petróleo para el 2008 Fuente: nns.org Elaboración: N. Hernández
  • 27. Prototipo de una EEES para 5 Gw-año E = A*D* Fc * 365 E = 2 * 8 * 1.4 * 0.58 * 365 = 4.8 Gw-año S EEE 2K Km m 8 Rectenna: Antena terrestre rectificadora para convertir directamente energía en forma de microondas a electricidad directa (DC) Km 10 Conversión de corriente DC a AC 13 Km Elaboración: N. Hernández
  • 28. ¿Qué significa una EEES de 5 Gw-año? 2006.Capacidad Cantidad de Instalada (Gw) EEES de 5 Gw Mundo 4034 807 Estados Unidos 986 198 China 518 104 Japon 251 51 Rusia 218 44 Alemania 120 24 Brasil 93 19 Venezuela 22 5
  • 29. Algunos problemas a resolver con respecto a la Rectenna • Su cercanía necesaria a las ciudades para minimizar perdidas operacionales • Utilización de áreas significativas para su instalación • Aunque es la misma cantidad por exposición asociada a teléfonos celulares y uso del microonda, resistencia de la población por posibles efectos a la salud • Interferencia con otros equipos y dispositivos electrónicos
  • 30. Los equipos de generación eléctrica (molinos o celdas solares) a gran escala solo proporcionan entre 25 a 30 % de la carga diaria, mientras que en la EEES es disponible en un 99 % todo el año en una orbita estacionaria por lo que puede ser utilizada como carga base. Las plantas eléctricas de carbón o nucleares pueden proporcionar carga base en un 90 % al año. Por otra parte, la EEES no requiere de ningún combustible por lo que hay cero contaminación. EEES es la fuente energética mas limpia y con una carga base ilimitada.
  • 31. Una aproximación económica de una EEES Costo ($/Kwh) 0.40 C = 0.008 * I 0.35 Donde, I, en miles de $ 0.30 C, $/Kwh 0.25 0.20 Premisas 0.15 • Sustitución de una planta a carbón • Costo operación = 3 % de la inversión 0.10 • Horizonte económico = 20 años • Depreciación = línea recta 0.05 • Beneficio por no emisión de CO2 = 50 $/tonelada • Emisión teórica de CO2 = 1.35 T/Mwh 0 0 20000 40000 60000 Inversión ($/Kw)
  • 32. Costo Generación de Electricidad ($/Kwh) Torre Solar + Paneles PV 0.044 Torre Solar 0.052 Planta a Gas 0.131 Solar Concentrada (PV) 0.143 Geotérmica 0.153 Maremotriz 0.156 Planta a Carbón 0.161 Parque Eólico 0.250 Solar PV 0.250 Nuclear 0.263 Carbón (75 % de secuestro) 0.265 Elaboración: Nelson Hernández
  • 33. Proyecto SPS 2000 Proyecto energético (no espacial) desarrollado por Japón Satélite LEO (orbitando a 1100 Km) Orbitas al día: 16 Capacidad: 10 Mw Costo: Entre 100 – 300 MM$ Rectennas: En el ecuador Energía: entrega 200 segundos de energía por cada orbita (100 Kwh) Mas información : http://www.spacefuture.com/power/sps2000.shtml
  • 38. Cráter Plum en la Luna Foto NASA: La nave Apolo 16 pasó tres días en la Luna en Abril de 1972, siendo la quinta de seis misiones alunizadoras. La Apolo 16 fue famosa por instalar y utilizar un telescopio ultravioleta en lo que fue el primer observatorio lunar, y por recolectar rocas y datos sobre las misteriosas tierras altas de la Luna. En esta foto, el astronauta John W. Young fotografía a Charles M. Duke, Jr. recolectando muestras de rocas en el sitio de alunizaje Descartes. Duke está cerca del cráter Plum, mientras que el vehículo explorador lunar espera aparcado en el trasfondo. El vehículo explorador lunar permitió que los astronautas viajaran grandes distancias para investigar las características superficiales y recolectar rocas. Mientras tanto, arriba, Thomas K. Mattingly orbita en el Módulo de Comando.
  • 39. La luna como Estación Eléctrica Espacial Solar (EEES o SBPS)
  • 40. Polo Norte Orbita lunar • Los rayos del sol son siempre horizontales en el polo Norte y Polo Sur • Nunca hay luz en los cráteres • Siempre hay luz en las montañas Polo Sur Generación eléctrica solar en el tope de la montaña Comunicación directa Transmisión inalámbrica por robots desde los cráteres
  • 41. Lecciones aprendidas • La electricidad es la forma de energía que mas utiliza la humanidad • El crecimiento de la población mundial, las necesidades energéticas y el impacto al hábitat del hombre requiere de un nuevo esquema energético mundial • El perfil de la nueva fuente energética debe ser: no agotable, limpia, disponibilidad continua, de uso directo y de bajo costo. • De las opciones energéticas actuales la EEES es la que mejor cumple con el perfil buscado • El desarrollo comercial de EEES requiere del interés y apoyo de las instituciones gubernamentales, especialmente, de los países desarrollados
  • 42. … Si ya se hizo una vez La decisión de ir a la luna: Discurso del 25 de mayo de 1961 del presidente John F. Kennedy antes de una sesión común del congreso, en Washington DC, de los E.E.U.U. El Vice presidente Lyndon Johnson (izquierda) y el vocero de la Casa Blanca, Sam Rayburn (derecha). Durante este discurso, Kennedy hizo la siguiente declaración famosa: " … Creo que esta nación debe confiar en alcanzar la meta, antes de que esta década finalice, de poner a un hombre en la luna y de regresarlo con seguridad a la tierra. No hay proyecto espacial, en este período, que impresione mas a la humanidad, o más importante en la exploración del espacio a largo alcance; y ninguno será tan difícil o costoso de lograr como el primer viaje a la luna … ". El aterrizaje de luna fue alcanzado en julio de 1969.
  • 43. … por que no hacerlo nuevamente … por que no hacerlo nuevamente Foto NASA: Los astronautas Robert Curbeam y Christer Fuglesang trabajan en la estación espacial internacional mientras ésta sobrevuela Nueva Zelanda (diciembre 2006)