viernes, enero 17, 2025

SpaceX. El GNL (LNG) combustible clave en la carrera espacial

 


Por: Nelson Hernández

  • Cada lanzamiento del Super Heavy SpaceX tiene un consumo de 22 toneladas de GNL, equivalente a la producción diaria de una planta de GNL con capacidad de 800 MPCD.

El 16 - 01- 25, SpaceX[1] se anoto otro éxito (aunque la nave espacial Starship exploto), al capturar de regreso, por 2da vez, del cohete Super Heavy SpaceX en la torre de lanzamiento de la cual salió.

Toda esta tecnología de punta, está basada en el uso de combustibles tradicionales para darle potencia a los motores y poder así elevar el cohete. Sin embargo, ya se menciona que el uso de estos combustibles es obsoleto, y se comienza a buscar sustitutos como nuclear, el electromagnetismo, entre otros.

Pero mientras llega ese cambio, hoy en día se utiliza la mezcla liquida kerosene – oxigeno y la mezcla liquida metano – oxigeno (CH4 – O2).

  • La kerosina (RP-1), es un hidrocarburo líquido que se utiliza principalmente como combustible para aviones a reacción, lámparas de queroseno, calefacción y motores de cohetes.
  • El metano líquido (GNL o LNG), es el hidrocarburo más simple llevado a su forma líquida mediante  temperaturas criogénicas (-260 °C). Tiene distintos usos, una vez regasificado. Pero en los últimos años, ha comenzado a sustituir a la kerosina en el lanzamiento de cohetes, sobre todo en la empresa SpaceX.

El uso de la mezcla CH4 – O2, también conocida como Methalox ha sido seleccionada por SpaceX para sus motores Raptor por varias razones claves:

  • Mayor Eficiencia Específica: El metano proporciona un impulso específico (Isp) más alto que el keroseno, lo que significa que los motores pueden generar más empuje por unidad de combustible. Esto es crucial para misiones espaciales que requieren alta eficiencia y autonomía.
  • Menor Contaminación de Motores: La combustión de metano no deja residuos sólidos, como hollín, en los motores, lo que facilita la reutilización de los componentes y reduce la necesidad de mantenimiento entre lanzamientos.
  • Disponibilidad de Recursos en Marte: Uno de los objetivos a largo plazo de SpaceX es la colonización de Marte. El metano puede ser producido en Marte mediante el proceso Sabatier[2], utilizando dióxido de carbono (abundante en la atmósfera marciana) e hidrógeno. Esto permitiría la producción de combustible in situ para misiones de regreso.
  • Temperaturas Criogénicas: Tanto el metano líquido como el oxígeno líquido requieren temperaturas criogénicas para su almacenamiento, lo que simplifica el diseño del sistema de almacenamiento y manejo de propulsores.
  • Mayor Densidad de Energía: El metano tiene una mayor densidad de energía en comparación con el hidrógeno líquido, otro combustible comúnmente usado en cohetes, lo que permite un almacenamiento más compacto y eficiente de combustible.

En resumen, SpaceX optó por la mezcla de metano-oxígeno para sus motores Raptor debido a su mayor eficiencia específica, menor contaminación de motores, potencial de producción de combustible en Marte y otros beneficios prácticos que se alinean con sus objetivos a largo plazo de exploración espacial y reutilización de cohetes.

Por otra parte, desde el punto de vista económico, el CH4 – O2 el costo de producción es más alto que el RP-1 debido a la necesidad de mantenerlo a temperaturas criogénicas; Sin embargo, el costo de producir el RP-1 es tambien elevado por los procesos de refinación. En el aspecto ambiental, el RP-1 es más contaminante que el Methalox.

Aunque el metano-oxígeno ofrece ventajas en términos de eficiencia y menor contaminación, su costo y la complejidad de manejo pueden ser desafíos a vencer.

El keroseno, por otro lado, es más fácil de manejar y almacenar, pero produce más contaminación y tiene un rendimiento específico menor.

En lo atinente a los volúmenes de las mezclas tenemos:

  • Metano-oxígeno (Motor Raptor)
    • Proporción de Mezcla: La proporción típica es de aproximadamente 3.6:1 (78% de oxígeno líquido y 22% de metano).
    • Volumen de Combustible[3]: El motor Raptor utiliza alrededor de 650 kg/s de flujo de masa, lo que equivale a aproximadamente 510 kg/s de oxígeno líquido y 140 kg/s de metano (equivale a 6.7 MPC/s de metano gaseoso).
  • Keroseno (RP-1) - oxígeno (Motor Merlin)
    • Proporción de Mezcla: La proporción típica es de aproximadamente 2.56:1 (72 % de oxigeno y 28 % de RP-1).
    • Volumen de Combustible: El motor Merlín utiliza aproximadamente 340 kg/s de flujo de masa, lo que equivale a aproximadamente 245 kg/s de oxigeno y 95 kg/s de RP-1.

Finalmente, el Gas Natural Licuado (GNL) ha emergido como un combustible crucial en la carrera espacial actual y del futuro. Su capacidad para proporcionar un impulso específico más alto, junto con menores emisiones contaminantes y la posibilidad de producción in situ en planetas como Marte, lo convierten en una opción ideal para misiones espaciales avanzadas. Empresas pioneras como SpaceX están liderando el camino hacia una nueva era de exploración espacial, donde la eficiencia y la sostenibilidad van de la mano. A medida que la tecnología continúa evolucionando, el GNL promete ser un pilar fundamental en la búsqueda de destinos más lejanos y en el establecimiento de colonias fuera de la Tierra.

La Meta: Hacer que la especie humana sea multiplanetaria.



[1] SpaceX, o Space Exploration Technologies Corp., es una empresa estadounidense de fabricación aeroespacial y transporte espacial fundada en 2002 por Elon Musk. La empresa tiene su sede en el sitio de desarrollo Starbase cerca de Brownsville, Texas. SpaceX es reconocida por sus innovaciones en propulsión de cohetes y el desarrollo de sistemas de lanzamiento reutilizables, que han reducido significativamente el costo de acceso al espacio.

 

[2] Reacción Sabatier: Es un proceso químico que convierte dióxido de carbono (CO₂) e hidrógeno (H₂) en metano (CH₄) y agua (H₂O).

Aplicaciones en Misiones Espaciales:

·         Colonización de Marte: La reacción de Sabatier es especialmente interesante para misiones a Marte, donde el CO₂ es abundante en la atmósfera marciana y el hidrógeno puede ser traído de la Tierra o producido localmente.

·         Producción de Combustible In Situ: Permite la producción de metano y agua en el lugar, lo que reduce la necesidad de transportar grandes cantidades de combustible desde la Tierra.

 

[3] Los motores del Super Heavy Booster de SpaceX generalmente se encienden durante aproximadamente 2.5 a 3 minutos antes de desprenderse de la Starship, con un consumo estimado de 21 a 25 toneladas de GNL (equivale a la producción diaria de una planta de GNL con capacidad de 800 MPCD). Durante este tiempo, los 33 motores Raptor del Super Heavy proporcionan el empuje necesario para elevar el cohete y alcanzar una altitud de alrededor de 70 km antes de la separación.

martes, enero 14, 2025

Precios Negativos de la Electricidad

 Por: Nelson Hernández

La transición energética tiene 2 estrategias intrínsecas o principales: La electrificación de la demanda y la descarbonización de la matriz energética global. Estas son fundamentales para lograr un futuro energético sostenible y alcanzar los objetivos establecidos en el Acuerdo de París (COP21) para limitar el calentamiento global. En resumen, un mundo consumiendo energía de forma racional pero con menor impacto ambiental.

En tal sentido, podemos definir como:

  • La electrificación de la demanda, se refiere al proceso de reemplazar fuentes de energía que dependen de combustibles fósiles (como el petróleo, el gas natural y el carbón) por electricidad, particularmente aquella generada a partir de fuentes renovables (como la solar, la eólica y la hidroeléctrica). Este cambio implica la adopción de tecnologías eléctricas en sectores que tradicionalmente utilizan combustibles fósiles, como el transporte (vehículos eléctricos), la calefacción (bombas de calor eléctricas), y la industria (hornos eléctricos). El objetivo es reducir las emisiones de gases de efecto invernadero y mejorar la eficiencia energética.
  • La descarbonización de la matriz energética global, es la reducción de la cantidad de carbono, en forma de dióxido de carbono (CO₂), que se emite a la atmósfera como resultado de la producción y consumo de energía. Esto se logra mediante la sustitución de combustibles fósiles con energías renovables y otras fuentes de energía limpia (como la energía nuclear y la captura y almacenamiento de carbono). La descarbonización implica una transformación profunda en la forma en que se genera, distribuye y utiliza la energía, con el fin de mitigar el cambio climático y reducir la huella de carbono a nivel mundial.

En este orden de ideas, aparece una situación no usual en la industria eléctrica como es el precio negativo de la electricidad.  Esto indica que los productores de electricidad están dispuestos a pagar a los consumidores para que utilicen la electricidad. Esta situación puede parecer incongruente, pero ocurre en ciertos contextos específicos, especialmente en mercados con una alta penetración de energías renovables. Todo está circunscrito al LCOE de las renovables que es mucho más bajo que el de las fósiles, es decir, es más económico generar con renovables.

Los precios negativos de la electricidad ocurren por las siguientes causas:

  • Exceso de producción de electricidad con energías renovables: En ciertos momentos, la producción de este tipo de electricidad puede exceder la demanda, especialmente en días soleados y ventosos o con alta participación de la geotérmica.
  • Capacidad limitada de almacenamiento: La falta de suficiente capacidad de almacenamiento (baterías) de energía puede llevar a un exceso de oferta. De allí la importancia de la plantas de almacenamiento de energía para regular la oferta y la demanda.
  • Costos de desconexión: Desconectar plantas de energía convencionales, generalmente termoeléctricas y/o nuclear, puede ser costoso, por lo que los productores prefieren pagar a los consumidores para que utilicen el exceso de electricidad provenientes de las renovables.
  • Regulaciones de mercado: Los mercados eléctricos pueden tener tarifas y reglas que resultan en precios negativos durante periodos de exceso de oferta.

Las consecuencias de un precio negativo eléctrico se pueden enmarcar en:

  • Incentivos para el consumo: Los precios negativos pueden incentivar a los consumidores industriales y comerciales a aumentar su consumo durante estos periodos de precios, aprovechando la electricidad barata o incluso pagada.
  • Optimización de recursos: Pueden motivar la inversión en tecnologías de almacenamiento de energía y en la flexibilidad de la demanda para aprovechar mejor los recursos disponibles. Así como el desarrollo de redes eléctricas inteligentes
  • Desafíos para productores: Los productores de electricidad deben adaptarse a estas fluctuaciones en los precios, lo que puede implicar ajustes en la operación y la planificación de la oferta.

Estos precios negativos ya se han presentado es diversas regiones o países. Como ejemplos tenemos a: Alemania, que ha experimentado precios negativos de electricidad debido a su alta capacidad de generación de energías renovables; y a Estados Unidos en algunos mercados, como el de Texas, donde se han registrado precios negativos en determinadas circunstancias.

Los precios negativos eléctricos desaparecerán en la medida que se progrese en la instalación de Plantas de Almacenamiento de Electricidad. La grafica a continuación muestra el Mix de generación eléctrica horaria en California para el 22-03-24, donde  destaca la participación de las renovables y el uso de la electricidad almacenada.


 

 

Para comprender mejor el concepto de precios negativos eléctricos, utilizaremos un ejemplo sencillo (no dinámico). A saber:

Supongamos que estamos en un país con alta capacidad de generación de energía solar y eólica. Durante un día muy soleado y ventoso, la producción de energía renovable excede la demanda.

Datos:

  • Capacidad de generación renovable (solar y eólica): 1000 MW
  • Demanda de electricidad: 800 MW
  • Exceso de oferta: 200 MW
  • Precio base de electricidad: $50 por MWh

En este caso, la oferta de electricidad supera la demanda en 200 MW. Debido a este exceso de oferta, el mercado necesita ajustar los precios para equilibrar la oferta y la demanda.

Cálculo del Precio Negativo

  • Oferta Excedente: 200 MW
  • Costo de Desconexión: Variable[1].  Generalmente se desconectan plantas de generación termoeléctricas a gas
  • Costo de Almacenamiento Limitado: No existe capacidad de almacenamiento disponible para el exceso de oferta eléctrica.

Para evitar los costos de desconexión y gestionar el exceso de oferta, los productores termoeléctricos están dispuestos a pagar para que los consumidores utilicen la electricidad excedente.

Supongamos que los productores están dispuestos a pagar $20 por cada MWh de electricidad excedente para evitar desconectar la planta.

Precio Final de Electricidad (PFE)

PFE = Precio base de electricidad - Pago por exceso de oferta = 50 – 20 =  30 $/MWh

Precio Negativo

Si el pago necesario para gestionar el exceso de oferta es mayor que el precio base, podemos tener precios negativos. Por ejemplo, si los productores están dispuestos a pagar $60 por cada MWh excedente:

PFE = 50 – 60 = - 10 $/MWh

Interpretación

  • Precio Positivo (30 $/MWh): Los consumidores pagan menos de lo habitual debido al exceso de oferta.
  • Precio Negativo (-10 $/MWh): Los productores pagan a los consumidores para que utilicen la electricidad excedente.

Este ejemplo ilustra cómo los precios negativos pueden ocurrir en un mercado con alta penetración de energías renovables y capacidad limitada de almacenamiento, incentivando a los consumidores a utilizar la electricidad excedente. Hay que recordar que los organismos regulatorios siempre van a buscar el precio que favorezca al consumidor, sin afectar la economía del productor.

En resumen:

  • Los precios negativos de electricidad son una señal del exceso de oferta en el mercado y representan tanto un desafío como una oportunidad para la gestión y la optimización del sistema eléctrico.
  • La reducción de costos de la electricidad y la posibilidad de precios negativos son fenómenos que reflejan los cambios y desafíos en el mercado eléctrico debido a la transición energética hacia fuentes renovables.
  • La instalación de Plantas de Almacenamiento de Electricidad es una oportunidad de negocio que tienen los productores de electricidad, independientemente si esta es generada con fuentes renovables o no.


[1] El costo de desconectar una capacidad eléctrica debido a un exceso de oferta puede variar significativamente según varios factores, como el tipo de planta, la infraestructura existente y las regulaciones locales. Sin embargo, algunos estudios y ejemplos indican que los costos pueden ser bastante elevados. En algunos casos, los costos de desconexión pueden llegar a ser de millones de dólares. Esto incluye no solo el costo de apagar y desconectar la planta, sino también los costos físicos asociados con la pérdida de ingresos y la posible necesidad de pagar por la energía que no se puede generar. Es importante tener en cuenta que estos costos pueden variar mucho dependiendo de la situación específica y del país en cuestión

 


viernes, enero 10, 2025

Estimación Precio del Petróleo para Equilibrar Presupuestos Anuales (Caso Venezuela)

 


Por: Nelson Hernández

Los petroestados, principalmente los países miembros de OPEP, donde su principal actividad económica es la explotación del petróleo, basan sus presupuestos anuales a los ingresos generados por la producción de este hidrocarburo.

En tal sentido, el precio del petróleo para equilibrar presupuestos anuales , se refiere al precio por barril de petróleo que un país exportador de petróleo, como los miembros de la OPEP, necesita obtener para cubrir todos los gastos y compromisos financieros previstos en su presupuesto anual. . . . . Este precio se calcula considerando los ingresos necesarios para satisfacer los gastos gubernamentales, incluidos los costos de producción, ajustes por inflación, tipo de cambio, y otros factores macroeconómicos y geopolíticos que pueden influir en la oferta y demanda global de petróleo.

En resumen, es encontrar un precio del petróleo que permitirá al país generar ingresos suficientes para cubrir sus gastos sin necesidad de incurrir en déficits significativos o aumentar su deuda pública. Generalmente, ese precio va a ser más alto que el precio de mercado de los marcadores de crudo convencionales como el BRENT y WTI. Es de acotar, que el precio de estos marcadores son la base para que los países exportadores fijen sus precios de comercialización.

Los principales parámetros a considerar en la estimación del precio de equilibrio, están:

·         Costo de Producción de Petróleo: Incluye los costos de extracción, procesamiento y transporte del petróleo. Estos costos varían según la ubicación y la tecnología utilizada.

·         Demanda Global de Petróleo: La demanda de petróleo influye directamente en los precios. Una mayor demanda generalmente eleva los precios, mientras que una menor demanda los reduce.

·         Oferta Global de Petróleo: La producción de petróleo por parte de la OPEP y otros países productores afecta los precios. La OPEP puede decidir aumentar o reducir la producción para mantener los precios en un nivel deseado.

·         Factores Geopolíticos: El concepto del factor geopolítico se utiliza para ajustar el precio del petróleo en función de la estabilidad o inestabilidad geopolítica, tales como: conflictos, sanciones y políticas internacionales, las cuales pueden afectar la oferta y la demanda de petróleo, influyendo en los precios. Este factor con un valor menor a 1, indica estabilidad o una influencia positiva en el mercado. Esto significa que hay menos riesgo y más certeza en la oferta y demanda, lo que normalmente podría reducir la presión alza sobre los precios. Un valor mayor a 1, indica todo lo contrario. Si no tiene como cuantificar este factor, tome el valor de 1. 

 

·         Inflación y Tipo de Cambio: La inflación y las fluctuaciones en el tipo de cambio pueden impactar el valor del petróleo en términos de las monedas locales de los países de la OPEP. La inflación tomada para el cálculo es la de los Estados Unidos

·         Precio del Petróleo en el Mercado Internacional: Se refiere al precio promedio del WTI (también pude ser el BRENT) del año anterior al cálculo. Este valor es utilizado para calcular la variación del precio del petróleo por efecto de inflación.

·         Elasticidad de la Demanda: Mide la sensibilidad de la demanda de petróleo ante cambios en el precio, expresada en porcentaje.

·         Producción de Petróleo del País: Se refiere a la producción promedio estimada para el año de cálculo.

Para la determinación del precio del equilibrio presupuestal, diferentes empresas y organizaciones, utilizan modelos preferidos. Sin embargo, existen maneras de lograr un buen estimado del mismo de una manera simplificada.

La gráfica a continuación muestra los valores de los parámetros y las ecuaciones utilizadas para determinar el estimado, mediante una simple hoja Excel, la cual puede ser accedida en el siguiente enlace, y realizar sus propias estimaciones:

https://app.box.com/s/dzckfohaitekts28bu06oes4z34vgxum

 



 

La gráfica a continuación muestra los resultados de la estimación para el caso venezolano….



Para un presupuesto de 23 G$ y una producción promedio de 1.0 MBD, el precio para el equilibrio presupuestal se sitúa en 89.2 $/B. Es decir, 34 $/B por encima del estimado del precio del crudo marcador Merey 16[1].

En resumen, el presupuesto no puede estar cubierto, ya que el precio de equilibrio es superior a los precios estimados del WTI (69 $/B), BRENT (73 $/B) y Merey 16 (55,2 $/B). Esto conlleva una inflación descomunal. Es decir, creación de dinero inorgánico para cumplir con los objetivos del presupuesto. En otras palabras, más bolívares para comprar el mismo dólar. 

 


 

 



[1] Calculado en función de los valores del WTI y del BRENT para el 2025, mediante una evaluación estadística.

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