Fuentes convencionales de energía 2023 -1 (32810017 ) David Felipe Celeita Rodriguez "Our virtues and our failings are inseparable, like force and matter. When they separate, man is no more.“ Nikola Tesla INFORMACIÓN GENERAL Nombre de la asignatura Código Tipo de asignatura Número de créditos Tipo de crédito Horas de trabajo semestral con acompañamiento directo del profesor Horas semanales de trabajo independiente del estudiante Prerrequisitos Correquisitos Horario Líder de área FUENTES CONVENCIONALES DE ENERGÍA 32810017 C 2 Teóricos 24 Salón Sala NOETHER (Sede Claustro Ed. El Tiempo – Piso 5) 72 Ninguno Ninguno Viernes 13:00 – 16:00 Maria Fernanda Gomez Galindo Correo: mariafernanda.gome01@urosario.edu.co Objetivo del curso 1. Familiarizar a los estudiantes con sistemas convencionales de generación de energía 2. Presentar a los estudiantes los recursos típicos en matrices energéticas determinísticas; cubriendo formas primarias de energía, extracción, refinación y otros procesos que facilitan su transporte y comercialización 3. Presentar la trasformación tecnológica de los sistemas convencionales de generación 4. Estudiar el principio operativo de las plantas térmicas de generación con base en combustibles fósiles, cogeneración y ciclo combinado y su impacto en mejora de eficiencia Capa de enlace 5. Establecer los impactos de grandes obras de infraestructura como hidroeléctricas de gran escala con y sin almacenamiento. Programa Módulo 1 – Petróleo Módulo 2 – Gas Natural Módulo 3 – Carbón Módulo 4 – Hidroeléctricas de gran escala Fecha (Sesión) Sesión 1 05/08/2022 Módulo I - Petróleo y sus derivados (Parte A) Temas: a) Demanda y refinación de productos petroleros b) Demanda de petróleo por región c) Demanda de petróleo por sector d) Comercialización y suministro e) • Dos sesiones de clase por cada módulo • Taller de lectura, clasificación, interpretación y visualización de Data Sets Descripción de la actividad Tema Sesión 2 19/08/2022 Módulo I - Petróleo y sus derivados (Parte B) Refinerías Clase magistral, discusión, ejercicios. Temas: a) Gas Licuado de Petróleo b) Líquidos c) Fuel oil d) Coque e) Centrales termoeléctricas convencionales Clase magistral, discusión, ejercicios. Trabajo independiente del estudiante Proyecto 1 10% Recursos que apoyan la actividad Programa Fecha (Sesión) Tema Módulo 1 – Petróleo Módulo 2 – Gas Natural Sesión 3 02/09/2022 Módulo II – Gas Natural (Parte A) Descripción de la actividad Temas: a) Demanda y suministro por región b) Demanda y suministro por sector c) Producción de gas natural d) Turbinas de gas Trabajo independiente del estudiante Proyecto 2 10% Módulo 3 – Carbón Clase magistral, discusión, ejercicios. Módulo 4 – Hidroeléctricas de gran escala • Dos sesiones de clase por cada módulo Sesión 4 16/09/2022 Módulo II – Gas Natural (Parte B) Temas: a) Eficiencia, rampas, ciclos termodinámicos b) Reducción de emisiones c) Centrales de ciclo combinado Clase magistral, discusión, ejercicios. • Taller Matlab 25/02/2022 EXAMEN INTERMEDIO Recursos que apoyan la actividad Programa Fecha (Sesión) Módulo 1 – Petróleo Módulo 2 – Gas Natural Sesión 5 30/09/2022 Módulo III – Carbón (Parte A) Módulo 3 – Carbón Módulo 4 – Hidroeléctricas de gran escala • Dos sesiones de clase por cada módulo • Taller Python Descripción de la actividad Tema Temas: a) Demanda y suministro por región b) Demanda y suministro por sector c) Tipos de carbón d) Propiedades físicas, mecánicas y térmicas e) Combustión Clase magistral, discusión, ejercicios. Temas: Sesión 6 14/10/2022 Módulo III – Carbón (Parte B) a) b) c) d) Turbinas de vapor Control de emisiones Eficiencia, rampas, ciclos termodinámicos Ciclo combinado Clase magistral, discusión, ejercicios. Trabajo independiente del estudiante Proyecto 3 10% Recursos que apoyan la actividad Programa Fecha (Sesión) Módulo 1 – Petróleo Módulo 2 – Gas Natural Sesión 7 28/10/2022 Módulo 3 – Carbón Módulo IV – Hidroeléctricas de gran escala (Parte A) Trabajo independiente del estudiante Temas: a) Recurso b) Represas y embalses c) Potencia hidráulica, cabeza, caudal, caída d) Turbinas hidráulicas Clase magistral, discusión, ejercicios. Módulo 4 – Hidroeléctricas de gran escala • Dos sesiones de clase por cada módulo Descripción de la actividad Tema Sesión 8 11/11/2022 Módulo IV – Hidroeléctricas de gran escala (Parte A) Temas: a) Impactos ambientales b) Hidroeléctrica convencionales c) Almacenamiento por bombeo d) Plantas de filo de agua Clase magistral, discusión, ejercicios. • Taller Python 11/11/2022 EXAMEN FINAL Proyecto 4 10% Recursos que apoyan la actividad Resultados de Aprendizaje Esperados (RAE) Al final del curso se espera que los estudiantes sean capaces de: 1. Simular los ciclos térmicos de plantas térmicas con ciclo combinado y diferentes combustibles 2. Calcular la eficiencia, factor de planta y otros parámetros operativos de plantas térmicas convencionales 3. Entender y describir el petróleo como energético primario y sus derivados utilizados en diferentes mecanismos de generación de energía eléctrica, térmica y/ transporte 4. Calcular efectivamente las emisiones equivalentes para diferentes tecnologías convencionales de generación de energía 5. Calcular de manera simplificada los aportes energéticos de las plantas teniendo en cuenta restricciones operativas y su uso en modelos de optimización Modalidad del curso || Estrategias de aprendizaje • Modalidad: • Presencial. En caso de no poder asistir por razones de fuerza mayor, escribir un correo a la Directora de Maestría, el profesor del curso. • Estrategias: • Análisis de casos • Desarrollo de micro-proyectos por cada módulo • Talleres o ejercicios • Enfoque de Aprender a Aprender: Aprendizaje activo, autorregulado, colaborativo, significativo, reflexivo EVALUACIÓN Resumen de evaluación Porcentaje Lecturas y quices Proyectos (Grupos) Hands-On Matlab (Grupos) Exámenes individuales 20 % 32 % 20 % 28 % Tema Actividad de evaluación Porcentaje Módulo 1 Proyecto 1: Petróleo 8% Módulo 2 Proyecto 2: Gas Natural 8% Módulo 3 Proyecto 3: Carbón 8% Módulo 4 Proyecto 4: Hidroeléctricas de gran escala 8% Módulos 1-2-3-4 Lecturas, casos de estudio y quices 20% Módulo 1-2 Hands On 1 (Matlab) - Optimización Módulo 1 y 2 10% Módulos 1-2 Examen intermedio SOCRATIVE Individual 1 14% Módulo 3-4 Hands On 2 (Matlab) - Optimización Módulo 3 y 4 10% Módulos 3-4 Examen final SOCRATIVE Individual 1 14% Total 100% • Técnica Pomodoro • Plataforma E-Aulas + Zoom(*) • Menti (Participación) Herramientas de clase • Socrative (Participación) • https://b.socrative.com/login/student/ • ROOM NAME: CELEITA2023 • (2006-2011) Bachelor on Electronic Engineering Universidad Distrital , Bogotá, Colombia. • (2011-2012) Automation engineer in low and medium voltage applications. ABB and Siemens, Bogotá, Colombia. • M.Sc. (2012-2014) and Ph.D (2014-2018) in Electrical Engineering PowER, from Universidad de los Andes, Bogotá, Colombia. ¿Quién es David Celeita? • (2017) Visiting researcher, PSAC, Georgia Institute of Technology. • (2019) Postdoc researcher, CentraleSupélec, GeePs, CNRS, Univ. Paris Saclay, Sorbonne Univ. • (2020) Postdoc researcher, PowER, Universidad de los Andes. • (2020-2021/1) Lecturer, Escuela Colombiana de Ingeniería Julio Garavito, Institución Universitaria Politécnico Grancolombiano • (2021/1) Postdoc researcher, PowER, Universidad de los Andes y Queens University of Belfast. • (2021/2) Professor, Universidad del Rosario, School of engineering, Science and Technology • Director of Energy Systems Engineering – IEEE / ACM Faculty Sponsor • (2022) Visiting research fellow, KU Leuven, EnergyVille, Genk, Belgium. • (2022) Trampoline ECOS-Nord Ambassade de Colombie en France: CentraleSupélec, GeePs, CNRS, Univ. Paris Saclay, Sorbonne Univ. • Research interest: Energy systems, Smart Cities & Grids, Advanced Distribution Automation, Protective Relaying Control, , Fault Location and Real-Time Simulation. Hobbies: Traveling, music, gaming (AoE), reading, volleyball, pingpong, chess, drawing, geek stuff. Links: Google scholar – CVLAC – ResearchGate - LinkedIn Who is Who? https://forms.office.com/Pages/ResponsePage.aspx?id=V1dSrrqJME2i90l5bvjGBETPivw6jadFp_8UNqahVtUNTdaMVkzOE83NlhVUjJLSFhOV0cxNUVQSS4u Módulo I - Petróleo y sus derivados (Parte A) a) Contexto de fuentes convencionales b) Demanda y refinación de productos petroleros c) Demanda de petróleo por región d) Demanda de petróleo por sector e) Comercialización y suministro f) Refinerías Petróleo y sus derivados - Intro https://www.youtube.com/watch?v=UPAqfTNiais Petróleo • Formado a partir de los restos de diminutas plantas y animales marinos que murieron hace millones de años. • Cuando las plantas y los animales morían, se hundían en el fondo de los océanos. Fueron enterrados por miles de pies de limo y arena que se convirtió en roca. • Con el tiempo, esta mezcla orgánica estuvo sujeta a una enorme presión y calor a medida que aumentaban las capas. • La mezcla cambió químicamente, descomponiéndose en compuestos hechos de hidrógeno y átomos de carbono: hidrocarburos. • Finalmente, se forma una roca saturada de petróleo, muy parecida a una roca húmeda. Solo alrededor del 2% del material orgánico se transforma en petróleo. Energía Primaria Energía Secundaria Petróleo Carbón Refinería Coquería Gas natural Planta generadora Nuclear Planta Nuclear Agua Gen. hidroeléctrica Infraestructura crítica Industria Residencial y comercial Transporte Gen. geotérmica Geotérmica viento Parque Eólico Solar Parque fotovoltaico Biomasa Gen. Y Conversión de biomasa Rural Motivación – Fuentes convencionales Más del 70% del mercado primario de energía a nivel mundial https://ocw.mit.edu/courses/sloan-school-of-management/15-031j-energydecisions-markets-and-policies-spring-2012/lecturenotes/MIT15_031JS12_lec15.pdf Los problemas de energía parecen estar en todas partes Economía • Precios volátiles del petróleo • Etanol a base de maíz y aumento de los precios de los alimentos • Viento del cabo y valores de propiedad Política • Irak y la política de Oriente Medio • Rusia Gazprom corta gas natural a Ucrania • Perforación mar adentro Ambiental • Calentamiento global por CO2: Presión sobre muchos ecosistemas, especies • Aumento del nivel del mar/ Inundaciones, huracanes, sequía • Mercurio de las plantas de carbón Contexto actual https://tradingeconomics.com/commodity/brent-crude-oil La demanda de energía aumenta AUMENTA LA POBLACIÓN MUNDIAL, AUMENTA LA DEMANDA DE ENERGÍA PER CAPITA PERO LOS RECURSOS SON LIMITADOS. Contexto energético global • Con la Revolución Industrial y sus respectivos avances tecnológicos, el desarrollo económico de los países ha girado en torno a la disponibilidad de la energía. • Se estima que a 2050 la población mundial llegará a 9.000 millones, demandando así un aumento en el suministro de energía, calculada en el orden de 30% sobre los niveles actuales (Energy Information Administration). Contexto energético global Las regiones en vías de desarrollo presentan en la actualidad las mayores tasas de crecimiento en utilización y consumo de energía, manteniendo la proyección para las próximas décadas. https://www.cancilleria.gov.co/en/node/6063 • Las cifras de los últimos diez años muestran que los países más pobres presentan los índices más bajos de consumo de energía, situación que contrasta con los países más ricos. • Miembros de la OCDE (generalmente “ricos”): • 17,5% de la población mundial 47,3% del consumo mundial de energía El petróleo mueve al mundo El mundo mueve petróleo El petróleo y sus múltiples productos derivados lo mantienen como uno de los energéticos más importantes del desarrollo económico y social en todo el mundo: fuente compleja de sustituir se mantiene como principal proveedor de energía. Comercio Internacional de Petróleo: 65% de la Producción BP Statistical Review of World Energy 2022 El petróleo mueve al mundo El mundo mueve petróleo • (2000/10) la invasión de Iraq y la crisis presentada con las huelgas de PDVSA en Venezuela incidieron en la reducción de la producción. • Desastres naturales como los ocurridos a causa de los huracanes en las costas de los Estados Unidos (con efectos en la refinación) y la recesión de Estados Unidos de 2008 (la mayor desde la Gran Depresión) fueron las causas de los más altos incrementos de los precios de los crudos. • “Primavera Árabe”, el desastre natural por el terremoto y tsunami de Japón que afectó a nivel mundial la generación de energía nuclear y las crisis económicas de países de la Unión Europea, afectan los precios. BP Statistical Review of World Energy Panorama internacional 2021 • En 2021 el nivel de producción mundial de energía se recuperó, en consonancia con la reactivación económica después de la pandemia. • La producción de energía del mundo pasó de una reducción de 4,1% en 2020 a un crecimiento de 3,4% en 2021. • El energético con mayor tasa de crecimiento fue el carbón (5,7%), una tasa superior a la de energía eléctrica (5,5%), refinados (4,5%), gas natural (4,0%) y la de petróleo (0,9%). Producción mundial de combustibles, Variación anual (%) 8% 5,7% 6% 4% 4,4% 4,0% 2,3% 2% 3,4% 1,9% -0,3% -0,3% -2,8% -4% -4,1% -4,4% -8% 1,5% 0,0% 0% -6% 4,5% 2,0% 0,9% -2% 5,8% 5,5% -3,3% -7,4% -10% -9,3% -12% Carbón Fuente: Enerdata-Banco Mundial Petróleo Gas N. 2018-2019 Electricidad 2019-2020 Refinados Total Energia PIB Mundo 2020-2021 Estados Unidos Tomado de Lawrence Livermore National Laboratory https://flowcharts.llnl.gov/ Colombia Tomado de https://www1.upme.gov.co/DemandayEficiencia/Paginas/Modelos-analiticos.aspx Contexto en Colombia • En 1918 se descubrió por primera vez crudo en el campo La Cira-Infantas (Barrancabermeja). • Cuando comenzó la producción, el pozo producía alrededor de 40 barriles por día. • En 100 años, La Cira-Infantas ahora produce 46,000 barriles por día. • En total, Colombia produce más de 860 mil barriles diarios. Los fósiles mantienen su participación del 75,7% en 2020 y 2021. Composición de la matriz energética 2020 – UPME https://www1.upme.gov.co/DemandayEficiencia/Paginas/BECO.aspx Contexto en Colombia • La importancia del sector de hidrocarburos en Colombia: • Pleno abastecimiento de la demanda de los distintos productos que consumen el sector productivo y las familias a costos eficientes. • Petróleo como un elemento fundamental para el desarrollo de nuestra sociedad: • • • • Concepto económico Concepto político Concepto ambiental Concepto social • El Petróleo en Colombia es el principal generador de recursos por exportaciones, así como de bienes para programas y proyectos de desarrollo social, regional y de infraestructura. mejoramiento de la calidad de vida de los Colombianos. Los fósiles mantienen su participación del 75,7% en 2020 y 2021. Composición de la matriz energética 2020 – UPME https://www1.upme.gov.co/DemandayEficiencia/Paginas/BECO.aspx • Nombre – Empresa – Cargo - Motivación PRESENTACIÓN • ¿Cuántas tierras necesitamos en el curso? • Actividad E-Aulas Módulo I - Petróleo y sus derivados (Parte A) a) Contexto de fuentes convencionales b) Demanda y refinación de productos petroleros c) Demanda de petróleo por región d) Demanda de petróleo por sector e) Comercialización y suministro f) Refinerías Demanda de petróleo El crecimiento del consumo de petróleo es desigual (regiones) Demanda de petróleo La región Asia Pacífico la de mayor participación con aproximadamente una tercera parte del consumo mundial de petróleo del (~33,2%), El crecimiento del consumo de petróleo es desigual (regionalmente se mantienen las tendencias) Demanda de petróleo Norteamérica conforma la segunda región consumidora de petróleo y participa con un ~25,7% del consumo mundial. El crecimiento del consumo de petróleo es desigual (regionalmente se mantienen las tendencias) Demanda de petróleo Los países de la Unión Europea perdieron cerca del 1,1% puntos porcentuales cada año, (682 mil barriles día) El crecimiento del consumo de petróleo es desigual (regionalmente se mantienen las tendencias) https://www.bp.com/en/global/corporate/energy-economics/statistical-review-of-world-energy/energy-charting-tool-desktop.html Demanda de petróleo La región de Centro y América del Sur la demanda de petróleo presenta incrementos ~290 mil barriles día, seguido de África con el más bajo. El crecimiento del consumo de petróleo es desigual (regionalmente se mantienen las tendencias) Demanda de petróleo • Los análisis indican que los países OECD continúan disminuyendo su demanda en (~337 mil barriles día ~ -0,5% decrecimiento promedio). • Los países no miembros OECD cuentan con una tasa de crecimiento promedio año de 3,7% en lo corrido del siglo XXI (mayor al promedio mundial ~1,3%) • La evolución del consumo de petróleo, entre los países industrializados y las demás economías en el ámbito mundial, se acerca desde los últimos años a los 90 millones de barriles día. Reservas de petróleo • Las reservas probadas de crudo se aproximan a 1.757 miles de millones de barriles (BP Statistical Review 2022). • ~73% de las reservas pertenecen a los países de la OPEP y el restante ~27% a los países fuera de la organización. • Los países de la OECD contribuyen con un 14,3% de los recursos mundiales. • No – OECD participan con el 85,7% del total de reservas probadas. Reservas de petróleo • Las reservas probadas de crudo se aproximan a 1.757 miles de millones de barriles (BP Statistical Review 2022). • ~73% de las reservas pertenecen a los países de la OPEP y el restante ~27% a los países fuera de la organización. • Los países de la OECD contribuyen con un 14,3% de los recursos mundiales. • No – OECD participan con el 85,7% del total de reservas probadas. Reservas de petróleo • La región con la mayor cantidad de reservas de petróleo es Medio Oriente. • ~807,7 miles de millones de barriles • Contribución de ~48,4% de las reservas mundiales • Tasa de crecimiento promedio año ~1,2%. • Arabia Saudita 15.9%, • Irán 9,4%, • Iraq 9,01%, • Kuwait 6,1% • Emiratos Árabes 5,9% OPEP / OPEC Vs El Mundo • La Organización de Países Exportadores de Petróleo, se formó en 1960 (Islamic Republic of Iran, Iraq, Kuwait, Saudi Arabia + Venezuela) para regular los precios y el suministro de petróleo en el mercado mundial del petróleo. • En un principio, la organización estaba compuesta por 7 empresas que operaban en el ámbito de la refinería de petróleo y los derivados de su reventa. • Hoy en día son 13 países que forman la OPEP: • 80% de las reservas de petróleo del mundo. • 40% de la producción mundial. Reservas de petróleo y cuenta regresiva https://www.worldometers.info/oil/ https://www.worldometers.info/oil/oil-reserves-by-country/ Reservas de petróleo y cuenta regresiva • Si la producción de petróleo disminuye progresivamente en el transcurso de este siglo, no habrá suficiente energía para satisfacer la demanda. • Más del 80% de energía depende combustibles fósiles. • Más del 40% depende de reservas probadas de petróleo. • ~50 Años de cuenta regresiva (Vol. De reservas probadas / Consumo promedio anual) • Sectores que entrarían en crisis: • Agricultura (tractores diesel, plaguicidas y fertilizantes químicos derivados del petróleo) • Transporte de productos y personas depende casi en un 100% del petróleo. • La generación de energía eléctrica, el transporte terrestre, aéreo, marítimo, dependen fuertemente del petróleo (y del gas – módulo 2). Reservas de petróleo y cuenta regresiva • Las fuentes alternativas aún se encuentran en una edad temprana (3% de la demanda de energía mundial). • La cuenta regresiva se hace con reservas “probadas”… • Realidad: • Tecnología actual y las características de cada campo reservas realmente recuperables económicamente ~70% • Restante en el subsuelo ~30% necesitan nuevas tecnologías, más inversión, etc. • ¿Es viable / Es rentable? Reservas de petróleo y cuenta regresiva • Expertos no coinciden en la fecha de ocurrencia del pico del petróleo (2010 Vs 2020?) • 580 de los yacimientos más grandes ya han entrado en declive de producción (6,7% anual). • El mundo está consumiendo entre cuatro y seis barriles en el tiempo en que los petroleros están descubriendo uno nuevo. Reservas de petróleo y cuenta regresiva • Expertos no coinciden en la fecha de ocurrencia del pico del petróleo (2010 Vs 2020?) • 580 de los yacimientos más grandes ya han entrado en declive de producción (6,7% anual). • El mundo está consumiendo entre cuatro y seis barriles en el tiempo en que los petroleros están descubriendo uno nuevo. Reservas de petróleo y cuenta regresiva • (2007) Brasil anuncia enormes descubrimientos en el Océano Atlántico ~150 mil millones de barriles de petróleo. • (2010) Se confirma que solo son ~16 mil millones de barriles de petróleo. • Dificultad de exploraciones hoy en día: • Más de 150-200 km lejos del continente • 2 km de profundidad (3 km de roca + 1.5 km de sal) https://static.dw.com/image/16976956_101.jpg • Oil data-set 2021 MATLAB • Data Acquisition • Data Visualization • Instalación de Matlab academy para manejo de simulaciones de mercado de oil & gas • Puesta en marcha / Hands-On (Actividad guiada 20 minutos) • Modalidad Hands-On por grupos PROYECTO 1 • Entrega Viernes 17 de Febrero – 2023 E-Aulas • Valoración 8% Grupo 1: Irak, Emiratos Árabes Unidos / China Grupo 2: Estados Unidos / Rusia / Arabia Saudita Grupo 3: Colombia / Venezuela / Brasil Grupo 4: Noruega / Qatar / Omán • Reporte de análisis por región (8%) • Descargar el Dataset completo “Oil - Data Set 2023-1” (E-Aulas) • Una vez formados los grupos (4 personas) sintetizar datos, visualizar y comparar: • Análisis de producción: • • oil-production-by-country.csv oil-prod-per-capita.csv • Análisis de consumo: • oil-consumption-by-country.csv • Análisis de reservas: • oil-proved-reserves.csv • Análisis de precio: • crude-oil-prices.csv • Análisis de participación energética: • oil-share-energy.csv • Realizar una proyección de producción y consumo en los países seleccionados utilizando alguna metodología de regresión para 5 años. • Entregar reporte en PDF y archivos de MATLAB en un .zip por grupos.
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