Economía de la energía
© Alfredo Dammert Lira y Raúl García Carpio, 2017

© Pontificia Universidad Católica del Perú, Fondo Editorial, 2018
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www.fondoeditorial.pucp.edu.pe

Diseño, diagramación, corrección de estilo
y cuidado de la edición: Fondo Editorial PUCP

Primera edición digital: abril de 2018

ISBN: 978-612-317-339-5

Prefacio

La energía es uno de los pilares más importantes de la sociedad industrial y está presente en todos los aspectos de nuestra vida. La luz eléctrica, que nos permite una vida doméstica mejor; el transporte motorizado, que reduce enormemente el tiempo de viaje; las diversas fuentes de energía, que son la base del desarrollo industrial, y los equipos médicos que ayudan a combatir las enfermedades y mejoran la calidad de vida de la gente son algunos ejemplos importantes de los beneficios de la energía.

A pesar de su innegable importancia, consideramos que existen pocos libros acerca de la energía, desde una visión global que considere los usos, las fuentes y la interrelación entre estos a partir de aspectos técnicos y económicos. Vale la pena mencionar el libro, Energy Economics, de Subhes Bhattacharyya (2011), que ofrece una excelente perspectiva del sector energía, desde un enfoque principalmente económico. También hay algunos otros libros de economía de la energía como International Energy Markets de Carol Dahl (2004), que cubre principalmente los mercados de los diversos tipos de energía y las políticas de precios.

Así pues, en Economía de la energía, los autores buscamos consolidar y complementar los contenidos de estas y otras publicaciones y ofrecer una versión en español, para cubrir las necesidades de profesionales relacionados con el sector energético, así como la de los estudiantes de diversas especialidades. En cuanto a su estructura, este libro está dividido en tres partes:

• Introducción a la energía y fuentes de demanda
• Economía de las fuentes de producción de energía
• Nuevas fuentes de energía y política energética

Asimismo, recoge —en parte— el material dictado por los autores, entre los años 2007 y 2014, en la Maestría en Regulación de Servicios Públicos de la Pontificia Universidad Católica del Perú, específicamente del curso de Economía de la Energía, así como del curso de extensión universitaria de Osinergmin y otras entidades. Agradecemos la colaboración de Alexander Huanca, Edison Chávez, Carlos Miranda, Carlos Renato Salazar y Magali Miranda, así como la excelente asistencia de Yovana Gutiérrez. Por último, también queremos agradecer al Fondo Editorial de la PUCP por confiar en esta publicación y ponerla de relieve; así como a Roberto Torres y a Sandra Arbulú, por su impecable apoyo en el diseño y edición, respectivamente.

Noviembre 2017

Parte I.
Introducción a la energía y fuentes de demanda

Capítulo 1.
Introducción a la energía

1.1 Importancia de la energía

El universo está compuesto por dos partes: energía y materia. El uso de la energía ha evolucionado con el desarrollo de la humanidad. En épocas prehistóricas la energía humana era requerida para realizar el esfuerzo de cazar animales y recolectar vegetales. Posteriormente, la humanidad descubrió el fuego para cocinar sus alimentos. En el transporte, inicialmente se utilizó la energía de los caballos y otros animales. Un gran salto se dio con la revolución industrial, en la cual los procesos se mecanizaron gracias a la invención del motor. Así pues, las formas de obtener energía se volvieron más sofisticadas y sus usos se diversificaron y, a partir de ello, se constituyeron las bases de nuestra civilización moderna. La ciencia y la técnica aportaron innovaciones que están permitiendo mejorar la calidad de vida al poner al alcance de la población no solo bienes de mejor calidad sino una mayor variedad: la luz eléctrica ha extendido el día útil, el transporte motorizado está reduciendo las distancias y los equipos médicos que utilizan diversas variedades de energía protegen a la población de las enfermedades y prolongan su vida.

Gráfico 1.1. Tasas de crecimiento mundiales

Fuente: British Petroleum (BP), 2012.

Dado que los beneficios de las nuevas formas de utilizar la energía requieren un mayor uso de esta, a la lo largo del tiempo la cantidad de energía utilizada por habitante (energía per cápita) ha ido en aumento (ver gráfico 1.1). Sin embargo, como se verá más adelante, las limitaciones en las fuentes convencionales de energía —como los ríos para la generación eléctrica—, los límites de las fuentes de energía no renovable —petróleo, gas y carbón— y el impacto al medio ambiente han llevado a que los ciudadanos y los hacedores de política se preocupen por el uso más eficiente de la energía, el desarrollo de tecnologías menos contaminantes y la selección de fuentes de energía con un menor impacto en el medio ambiente.

1.2 Conceptos físicos

1.2.1 Relación entre materia y energía

Para entender los diferentes procesos de generación de energía es preciso retomar algunos conceptos básicos como la relación entre la materia y la energía. La materia es todo aquello que tiene masa y ocupa un lugar en el espacio; la energía se define como la capacidad de realizar un trabajo o transferir calor. Existen diversas manifestaciones de energía:

• Energía mecánica: por ejemplo, el movimiento producido por las hélices de un molino de viento
• Energía calórica: el calor o luz emitidos por un cuerpo
• Energía eléctrica: el movimiento de electrones
• Energía química: por ejemplo, la combustión

La cantidad de energía que se puede producir a través de la transformación de la materia (y viceversa) se puede establecer a través de la ecuación de Einstein (1905) que considera que el total de materia y energía en el universo es constante. Esta ecuación es:

E = mc2 (1.1)

Donde,

E: energía en joules

m: masa en kilogramos

c: velocidad de la luz (constante) en metros/segundo

1.2.2 Medición de la energía

La energía se mide como la cantidad de calor necesaria para realizar un trabajo determinado —por ejemplo, mover un cuerpo una distancia—. La medida de calor estándar es la caloría. Una caloría es la cantidad de energía necesaria para llevar un gramo de agua de 14, 5º a 15, 5º; esta cantidad equivale a 4,184 joules. En el sistema británico se utilizan, para el calor, los BTU o British Thermal Units y en electricidad, los watts/hora. En el cuadro 1.1 se presentan las conversiones entre las principales unidades de medición de la energía.

Cuadro 1.1. Factores de conversión de medidas de energía

A:	TJ	Gcal	Mtep	Mbtu	GWh
De:	Multiplicar por:
TJ: terajoule	1	238.8	2.388 × 10-5	947.8	0.2778
Gcal: gigacaloría	4.1868 × 10-3	1	10-7	3.968	1.163 × 10-3
Mtep: millones de toneladas equivalentes de petróleo	4.1868 × 104	107	1	3.968 × 107	11630
Mbtu: millones de BTU	1.0551 × 10-3	0.252	2.52 × 10-8	1	2.931 × 10-4
GWh: gigawatts hora	3.6	860	8.6 × 10-5	3412	1
Fuente: IEA-International Energy Agency, 2013a.

1.3 La matriz energética

En la matriz energética se muestran los distintos usos y el consumo de cada una de las fuentes de energía antes mencionadas. Los principales sectores son: industrial, transporte, residencial, comercio y servicios públicos, agricultura, pesquería y usos no energéticos. La relación entre las fuentes de energía de las que se dispone y su uso por parte de los distintos sectores indica el grado de importancia respecto de cada fuente de energía. La matriz energética es útil para identificar por sectores económicos los niveles de consumo y sirven de herramienta para decisiones de política energética. En la matriz energética se incluyen los procesos de transformación, tales como la refinería y las pérdidas de energía asociada. Esta se puede representar mediante una tabla de doble entrada o también gráficamente como la presentada en el gráfico 1.2, donde se muestra la matriz energética mundial1 para el año 2012.

Gráfico 1.2. Matriz energética mundial, 2012

Nota: otra producción considera energía solar, eólica y marítima.

Fuente: basado en IEA-International Energy Agency.

1.4 Tipos de fuentes de energía

En el sector energético se debe distinguir entre energía primaria y secundaria. Se denomina energía primaria a los recursos naturales disponibles en forma directa o indirecta que no sufren ninguna modificación química o física para su uso energético. En esta categoría se incluyen los combustibles fósiles (petróleo, gas y carbón), el uranio y las energías renovables (hidroeléctricas, viento, leña y otros). Por su parte, la energía secundaria es el conjunto de los productos energéticos disponibles en forma apta para su utilización final, que surgen como resultado del procesamiento de la energía primaria, ya sean líquidos, sólidos o gaseosos. Aquí algunos ejemplos: (a) del petróleo se producen diésel, gasolinas, gas licuado de petróleo, kerosene; y (b) de los hidrocarburos, del carbón, del uranio y de las energías renovables se produce la electricidad.

La energía secundaria proviene del tratamiento de la energía primaria en centros de transformación, ya sean plantas de refinación o plantas de fraccionamiento, o de plantas de generación eléctrica. Los usos finales de la energía incluyen la generación de calor, la iluminación y la generación de fuerza en distintos usos. En el gráfico 1.3 se muestran las principales fuentes de energía, tanto primarias como secundarias, y sus usos; en el gráfico 1.4 se muestra un diagrama del proceso de utilización de energía. Se aprecia la existencia de pérdidas de energía en diferentes etapas de los procesos y también se presenta información de los rendimientos de cada fuente de energía para el caso de la generación eléctrica.

Gráfico 1.3. Fuentes de energía y usos

Fuente: Espinoza, 2005.

Gráfico 1.4. Pérdidas finales en el uso de la energía

Fuente: Espinoza, 2005.

1.5 Usos de la energía

En el gráfico 1.5 se muestra el consumo de energía mundial por tipo de usuario final. La participación en el consumo total de energía entre 2000 y 2012 no ha variado significativamente y se ha mantenido constante, en alrededor de 51% para el sector industrial, 27% para el sector transporte y 22% para los sectores residencial y comercial.

Gráfico 1.5. Consumo de energía por tipo de usuario final 2002-2015

Fuente: U.S EIA-U.S. Energy Information Administration, 2013.

El consumo de energía primaria de los principales países consumidores se muestra en el gráfico 1.6. Se aprecia que en 2013 China fue el principal consumidor de energía con 2852 Mtep. En orden de importancia, los otros principales consumidores son EE.UU., con 2265 Mtep; Rusia, con 699 Mtep; la India, con 595 Mtep; Alemania, con 325 Mtep y Canadá, con 332 Mtep. El resto del mundo representa un consumo total de energía de 5186 Mtep.

Gráfico 1.6. Consumo de energía primaria de los principales países, 2000-2013

Fuente: BP-British Petroleum, 2014a.

El gráfico 1.7 presenta la evolución del consumo de energía primaria en Latinoamérica y Centro América entre los años 2000 y 2013. En 2013, Brasil fue el primer consumidor de energía con 284 Mtep, equivalentes al 2,2% del consumo mundial y al 42% a nivel latinoamericano. En segundo lugar, estuvo Argentina con un consumo de 84.5 Mtep, equivalentes al 0,7% a nivel mundial y al 12,5% a nivel latinoamericano. En tercer lugar, estuvo Venezuela con un consumo de 82.9 Mtep, equivalentes al 0,6% a nivel mundial y al 12,3% a nivel latinoamericano. Por su parte, el Perú consumió 21.8 Mtep, equivalentes al 0,17% a nivel mundial y al 3,2% a nivel latinoamericano.

Gráfico 1.7. Consumo de energía primaria de países latinoamericanos, 2000-2013

Fuente: BP-British Petroleum, 2014a.

A continuación, se muestran los diferentes tipos de energía consumidos por los diversos sectores: residencial, comercial, transporte, así como las actividades productivas, incluyendo industria, minería y agricultura (cuadro 1.2).

Cuadro 1.2. Consumo de energía mundial por tipo de uso2

Participación en el consumo de energía por sector (%)
	Residencial		Comercial		Industrial		Transporte
	1973	2012	1973	2012	1973	2012	1973	2012
Petróleo	21,4	10,6	39,1	12,8	30,1	12,9	94,3	92,9
Carbón	11,5	3,9	21,7	4,2	24,3	30,2	3,0	0,1
Gas natural	13,7	20,5	19,0	25,5	24,0	20,7	1,7	3,6
Biocombustibles y residuos2	44,1	42,6	1,9	3,6	5,8	7,8	0,0	2,4
Electricidad	9,3	22,3	18,2	53,8	15,8	28,5	1,0	1,0
Fuente: IEA-International Energy Agency, 2013b.

Enseguida, se presenta gráficamente el consumo de energía por sector, medido en Mtep. El gráfico 1.8 muestra cómo los recursos de energía renovable, principalmente la biomasa tradicional, son una fracción importante del consumo doméstico. En países subdesarrollados este porcentaje llega a cerca del 80% debido a la falta de acceso a fuentes de energía modernas. Es preciso recordar que el gas natural y el petróleo jugaron un papel importante hasta fines de la década de 1970, a partir de lo cual el consumo de petróleo decayó y, en su lugar, el consumo de electricidad tuvo un crecimiento sostenido hasta ser igualmente significativo que el gas natural. Asimismo, el consumo del carbón ha dejado de ser significativo la década de 1990.

Gráfico 1.8. Consumo de energía en el sector residencial

Fuente: IEA-International Energy Agency, 2013b.

En el gráfico 1.9 se puede apreciar que, a partir de la década de 1970, a medida que se abrían nuevos mercados y continuaba la inmigración de las zonas rurales a las zonas urbanas, el sector comercial empezó a utilizar considerablemente la electricidad, con lo que aumentó la proporción de su uso; entretanto, la utilización de las energías renovables no era significativa. Para inicios de la década de 1980, tanto el gas natural como el petróleo tuvieron una importancia similar en este sector, aunque con el tiempo, la prevalencia del petróleo descendió.

El gráfico 1.10 muestra que, desde la década de 1970, el sector industrial utilizaba en gran medida el gas natural y el petróleo, mientras que la electricidad, el carbón y las energías renovables todavía mantenían una menor participación. A partir de los años noventa, tanto la electricidad y el carbón pasaron a ser las principales fuentes de energía de este sector.

Gráfico 1.9. Consumo de energía en el sector comercial

Fuente: IEA-International Energy Agency, 2013b.

Gráfico 1.10. Consumo de energía en el sector industrial

Fuente: IEA-International Energy Agency, 2013b.

En el gráfico 1.11 se muestra que el petróleo es el insumo predominante para abastecer al sector transporte, con una tendencia creciente hasta 2007 y una ligera caída a partir de dicho año. Es poco significativa la participación en este sector del gas natural y la energía renovable.

Gráfico 1.11. Consumo de energía en el sector transporte

Fuente: IEA-International Energy Agency, 2013b.

1.6 Evolución de las fuentes de energía

En las últimas décadas, las principales fuentes de energía han sido el carbón, el gas natural y el petróleo, con una participación de 30%, 25% y 32% respectivamente entre 2010 y 2013.

• El aumento en la producción de carbón entre 1990 y 2012, de 3186 a 5541 Mtep, se debió principalmente al incremento del consumo en China e India en ese periodo. China pasó de consumir 762 Mtep de carbón en 1990 a 2824 Mtep de carbón en 2012, mientras que India pasó de consumir 148 Mtep en 1990 a 506 Mtep en 2012, siendo su uso principal destinado a la generación de electricidad, seguido por su consumo en la producción de acero. El consumo en la mayoría de los otros países se mantuvo estancado o disminuyó tanto por el aumento de los precios del carbón como por las políticas de control del uso del carbón para evitar el aumento de gases de CO2 de efecto invernadero, pues el carbón es una de las fuentes más contaminantes a nivel mundial y local.

Gráfico 1.12. Participación de las fuentes de energía en el consumo mundial de energía primaria (en Mtep)

Fuente: BP-British Petroleum, 2014a.

• El aumento de la producción de gas natural entre 1990 y 2012 fue sustancial: pasó de 2040 Mtep en 1990 a 3432 Mtep en 2012. El principal incremento del consumo tuvo lugar en EE.UU., Asia y el Medio Oriente, tanto por su uso en generación eléctrica como por su empleo para generar calor en la industria. Otro uso importante en Medio Oriente es el destinado a la industria petroquímica.
• El crecimiento de la oferta de petróleo (hidrocarburos líquidos) fue también apreciable entre 1990 y 2012: pasó de 66.3 a 91.4 millones de barriles por día. Este crecimiento está relacionado con el aumento del consumo de petróleo en el transporte y la petroquímica que, a la fecha, representa las dos terceras partes del consumo, mientras que en otros usos se ha mantenido estable.

Gráfico 1.13. Participación de las fuentes de energía a nivel mundial

Fuente: BP-British Petroleum, 2014b.

A pesar de que la producción del petróleo sigue creciendo, su participación en la producción de energía a nivel mundial está disminuyendo. Sin embargo, el petróleo, el gas natural y el carbón siguen siendo las principales fuentes de energía a nivel mundial.

1.7 Situación actual del acceso a la energía3

De acuerdo a la International Energy Agency (2015a), en el año 2013 cerca de 1200 millones de personas, equivalente al 17% de la población mundial, no tenían acceso a la electricidad, y cerca de 2700 millones de personas no tenían servicios modernos de energía para cocinar sus alimentos (véase el cuadro 1.3). La mayor cantidad de esta población se ubicaba en África; principalmente en las zonas rurales, tanto en el caso de la falta de acceso a electricidad (un 74%) como en el de los que no poseían servicios modernos de energía para cocinar (un 68%).

En los años recientes se ha llegado a un consenso sobre la necesidad de garantizar el acceso a la energía a toda la población como un derecho universal (IEA 2010, 2011). La cumbre mundial de desarrollo sostenible reconoció como objetivo prioritario el acceso a la energía entre los objetivos WEHAB4. La ONU (2010) ha propuesto que para el año 2030 se garantice el acceso a la energía limpia a toda la población mundial. El rol de los estados es identificar los instrumentos más adecuados para lograr este objetivo, el cual se sustenta principalmente en los efectos que tiene el acceso a la energía en términos de reducir la desigualdad e incrementar el desarrollo de las capacidades humanas de los ciudadanos.

Cuadro 1.3. Número de personas sin acceso a electricidad que se apoyan en el uso tradicional de biomasa (millones), 2013

Región	Número de personas sin acceso a electricidad	Número de personas que dependen de la utilización tradicional de la biomasa para cocinar
África	635	754
Nigeria	96	122
Sudáfrica	8	6
Otros de África Subsahariana	108	121
Norte de África	1	1
Asia en desarrollo	526	1895
India	237	841
Indonesia	49	98
Pakistán	50	105
América Latina	22	65
Medio Oriente	17	8
Economías en Transición & OECD	1	-
Mundo	1201	2722
Fuente: IEA-International Energy Agency, 2015a.

1.8 Resumen

1. El universo está formado por dos componentes: materia y energía. La materia se puede transformar en energía y viceversa, mediante la ecuación de Einstein de conversión de masa en energía.
2. Los principales países consumidores de energía son: China, EE.UU., Rusia, Japón, India, Alemania y Canadá, que en 2013 representaron el 59% del consumo mundial.
3. Las principales fuentes de energía son: carbón (29%), petróleo (31%) y gas natural (21%), que en conjunto representan el 81% de la producción primaria de energía.
4. Las principales fuentes de consumo por sector son: sectores residencial y comercial-electricidad y gas natural; sector industrial-petróleo y gas natural; y sector transporte-petróleo.
5. El carbón, el petróleo y el gas natural tuvieron un crecimiento apreciable en las últimas décadas. Sin embargo, el crecimiento del consumo del carbón se debió, casi en su totalidad, al consumo en China e India, pues los otros países restringieron su uso como resultado de sus políticas medioambientales; también influyó su mayor costo.
6. La matriz energética al identificar los principales flujos entre fuentes y usos de energía es una herramienta importante para el desarrollo e implementación de medidas de política energética.
7. Garantizar el acceso a la energía, sobre todo en África y áreas rurales del Asia, constituye una preocupación importante a nivel internacional.

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