Nov 21, 2017

Capítulo 1 - Energía y fuentes de energía

1. ¿Qué es la energía?

La energía es la capacidad que poseen los cuerpos para poder efectuar un trabajo a causa de su constitución (energía interna), de su posición (energía potencial) o de su movimiento (energía cinética). Es una magnitud homogénea con el trabajo, por lo que se mide en las mismas unidades, es decir en julios en el Sistema Internacional. Según la forma o el sistema físico en que se manifiesta, se consideran diferentes formas de energía: térmica, mecánica, eléctrica, química, electromagnética, nuclear, luminosa, etc.

Aunque la energía puede cambiar de forma en los procesos de conversión energética, la cantidad de energía se mantiene constante conforme con el principio de conservación de la energía que establece que la energía ni se crea ni se destruye, sólo se transforma". Por consiguiente, la energía total de un sistema aislado se mantiene constante y en el universo no puede existir creación o desaparición de energía, sino transferencia de un sistema a otro o transformación de energía de una forma a otra.

La energía es la consecuencia de la actuación mediante interacciones o intercambios de los cuatro tipos de fuerzas fundamentales de la naturaleza: gravitatoria, electromagnética, nuclear fuerte y nuclear débil.

2. ¿Qué unidades se usan para medir la energía?

01Si la energía que posee un cuerpo se pone de manifiesto realizando un trabajo, el valor de este trabajo será una medida de la energía que posee. Si por el contrario hemos realizado un trabajo sobre un cuerpo y éste lo ha almacenado en forma de energía, la medida del trabajo realizado sobre el cuerpo nos dará el valor de la energía que permanece de forma latente en el cuerpo. Por todo ello la energía liberada o acumulada tendrá las mismas unidades que la magnitud trabajo.

En el Sistema Internacional de unidades (SI) la unidad de trabajo y de energía es el julio (J) definido como el trabajo realizado por la fuerza de 1 newton cuando desplaza su punto de aplicación 1 metro, o lo que lo mismo, elevar una masa de 101 g un metro.

En física nuclear se utiliza como unidad el electronvoltio (eV), definido como la energía que adquiere un electrón al pasar de un punto a otro entre los que hay una diferencia de potencial de 1 voltio.

Su relación con la unidad del Sistema Internacional es:

1 eV = 1,602 x 10-19 J o lo que es lo mismo 1 Julio = 6,2 x 1018 eV

Para la energía eléctrica se emplea como unidad de producción el kilovatio- hora (kWh), definido como el trabajo realizado durante 1 hora por una máquina que tiene una potencia de 1 kilovatio. Su equivalencia con la unidad del Sistema Internacional es:

1 kWh = 3,6 x 106 J ó 3,6 millones de julios

o lo que es lo mismo, la energía consumida por una bombilla de 40 vatios encendida 25 horas. En la simbología aceptada para el kilovatio hora se pueden emplear, indistintamente, kW-h o kWh, pero nunca kW/h que no tiene sentido físico alguno.

Para poder evaluar la calidad energética de las distintas fuentes de energía se establecen unas unidades basadas en el poder calorífico de cada una de ellas. Las más utilizadas en economía energética son kcal/kg, tec y tep.

• kcal/kg aplicada a un combustible nos indica el número de kilocalorías que obtendríamos en la combustión de 1 kg de ese combustible.

1 kcal = 4,186 x 103 J

• tec: tonelada equivalente de carbón. Representa la energía liberada por la combustión de 1 tonelada de carbón (hulla).

1 tec = 29,3 x 109 J

• tep: tonelada equivalente de petróleo. Equivale a la energía liberada en la combustión de 1 tonelada de crudo de petróleo.

1 tep = 41,84 x 109 J

La relación entre estas unidades es

1 tep = 1,428 tec

3. ¿Qué es la potencia?

El trabajo realizado por un sistema en la unidad de tiempo se le llama potencia. Cuando se refiere a un proceso se define como la variación de energía registrada en el tiempo utilizado entre la situación de partida y la final. En consecuencia, la potencia mide la rapidez con que se transforma la energía. Su unidad en el sistema internacional (SI) es el vatio, definido como la potencia de una máquina que realiza el trabajo de 1 julio en el tiempo de 1 segundo. Su símbolo es W. En consecuencia, si elevamos 101 g de masa a la altura de un metro en un segundo, estamos desarrollando la potencia de 1 vatio.

La potencia es por tanto la capacidad de hacer trabajo en el tiempo, mientras la energía es la disponibilidad almacenada para realizar ese trabajo y éste es la medida de lo realmente hecho. Esta diferencia de conceptos en muy importante tanto en la física como en otras disciplinas a las que se puede aplicar.

Con frecuencia se utilizan otros múltiplos de esta unidad.

Son el kilovatio (kW), el megavatio (MW) y el caballo de vapor (CV o HP)

1 kW = 103W

1 MW=106 W

1 CV o HP = 735,5 W

1 MeV x s-1 = 1,602 x 10-13 W

4. ¿De dónde proviene la energía que consumimos?

2Casi toda la energía de que disponemos proviene del Sol. Él es la causa de los vientos, de la evaporación de las aguas superficiales, de la formación de nubes, de las lluvias y, por consiguiente, de los saltos de agua. Su calor y su luz son la base de la fotosíntesis en el mundo vegetal con la generación del oxígeno y la absorción del CO2, y de otras innumerables reacciones químicas indispensables para la vida de los vegetales y de los animales. Con el paso de los milenios y la concurrencia de situaciones muy específicas, los restos del mundo vegetal y animal enterrados han originado los combustibles fósiles: carbón, petróleo y gas.

Si recordamos el principio de la conservación de la energía, afirmaremos de manera incuestionable que la energía no se crea ni se destruye, solamente se transforma. Por tanto si necesitamos obtener energía, tendremos que partir de algún cuerpo que la tenga almacenada y pueda experimentar una transformación. A estos cuerpos se les llama fuentes de energía.

De forma más amplia llamaremos fuente de energía a todo sistema natural, artificial o yacimiento que puede suministrarnos energía. Las cantidades disponibles de energía de estas fuentes son lo que se llama recurso energético.

La Tierra posee enormes cantidades de estos recursos. Sin embargo uno de los problemas que tiene planteada la humanidad es la obtención y transformación de los mismos.

Las fuentes energéticas más buscadas son aquellas en las que la energía está muy concentrada (mucha energía por unidad de masa). Es el caso del carbón, petróleo, gas natural, uranio, etc. Por el contrario, tenemos otro tipo de fuentes cuya concentración energética es muy baja y a las que llamamos energías difusas. Estas presentan una gran dificultad para su captación, primero, y para la generación energética de cantidades suficientes de energía, después, por su variabilidad climatológica o por requerir enormes extensiones de terreno. Es el caso de la energía solar, eólica, mareomotriz, geotérmica, etc.

3En las primeras hay que tener en cuenta, además del contenido energético, las impurezas, localización del yacimiento, facilidad de explotación, tecnología requerida; razones todas ellas que inciden directamente en el coste de obtención de esa energía y por tanto en la rentabilidad de la explotación.

En el caso de las energías difusas el problema está en lograr una concentración suficiente para su extracción y después adecuar su producción a las necesidades del abastecimiento, resolviendo el almacenamiento de la energía producida, así como el proceso adecuado para su transformación. Estos datos son importantes para hacer el balance económico de cada fuente.

Todas las fuentes de energía son importantes, pero desde el punto de vista de su utilización concreta, las distintas fuentes de energía pueden ser o no ser sustitutivas entre sí.

Por ejemplo, para la producción de energía eléctrica en una central podemos utilizar carbón, petróleo, gas natural o uranio. Sin embargo en un proceso siderúrgico el uranio nunca podría sustituir al carbón, y como carburante los derivados del petróleo (gasolinas, querosenos) no pueden ser sustituidos por carbón, uranio, madera...

Lo decisivo de una fuente energética de cara a su utilización en las economías modernas es su capacidad para garantizar el abastecimiento. Esto impulsa a que sea, finalmente, la complementariedad de cada una

de ellas, de acuerdo con sus características, la solución que se demanda para resolver esta exigencia social y económica.

5. ¿Cómo se clasifican las fuentes de energía?

Para clasificar las distintas fuentes de energía se pueden utilizar varios criterios:

  1. Según sean o no renovables.
  2. Según su grado de disponibilidad: convencionales o en desarrollo.
  3. Según sea la forma de su utilización. Energías primarias o utilizadas directamente y energías secundarias o finales que son aquellas que han sufrido un tipo de transformación anterior a su uso, como la electricidad.
  1. Llamaremos fuentes de energía renovables a aquellas cuyo potencial es inagotable por provenir de la energía que llega a nuestro planeta de forma continua como consecuencia de la radiación solar o de la atracción gravitatoria de otros planetas de nuestro sistema solar. Son la energía solar, eólica, hidráulica, mareomotriz y la biomasa. Las fuentes de energía no renovables son aquellas que existen en una cantidad limitada en la naturaleza. La demanda mundial de energía en la actualidad se satisface en un 94% con este tipo de fuentes: carbón, petróleo, gas natural y uranio.
  2. Si atendemos al segundo criterio de clasificación, llamaremos fuentes de energía convencionales a aquellas que tienen una participación importante en los balances energéticos de los países industrializados. Es el caso del carbón, petróleo, gas natural, hidráulica y nuclear. Por el contrario, se llaman fuentes de energía no convencionales, o nuevas fuentes de energía, a las que por estar en una etapa de desarrollo tecnológico en cuanto a su utilización generalizada, no cuentan con participación apreciable en la cobertura de la demanda energética de esos países. Es el caso de la energía solar, eólica, mareomotriz y biomasa.
  3. Según sea su utilización las fuentes de energía las podemos clasificar en primarias y secundarias. Las primarias son las que se obtienen directamente de la naturaleza, como el carbón, petróleo y gas natural.

Las secundarias, llamadas también útiles o finales, se obtienen a partir de las primarias mediante un proceso de transformación por medios técnicos. Es el caso de la electricidad o de los combustibles derivados del petróleo.

6. ¿Qué es la energía hidráulica y cómo se aprovecha?

La energía hidráulica es la energía que se obtiene a partir del agua de los ríos. Es una fuente de energía renovable y supone el 7% del consumo mundial de energía primaria.

De forma indirecta tiene al Sol como origen. La radiación solar en forma de calor evapora el agua de los mares formando las nubes, que a su vez se transformarán en lluvia o en nieve, asegurando así la perennidad del ciclo. Luego, el efecto de la gravedad terrestre permite aprovechar los caudales de agua descendentes gracias a las presas que se construyen para retenerla en embalses o pantanos artificiales. Estos constituyen grandes depósitos energéticos o de abastecimiento.

La mayoría de las presas hidráulicas se destinan a la producción de energía eléctrica utilizando turbinas hidráulicas. Los países con gran potencial hidráulico y que disponen de caudales de ríos constantes y abundantes obtienen la mayor parte de la electricidad en centrales hidráulicas por sus grandes ventajas, entre ellas la de utilizar un recurso natural que solo hay que encauzar y es gratuito. Además puede utilizarse para otros fines, como el abastecimiento humano o el riego. Por otra parte, se trata del único recurso renovable almacenable, por lo que es muy útil para atender inmediatamente puntas de la demanda.

Pero también presenta inconvenientes por la dificultad de hacer predicciones fiables de los caudales de los ríos, puesto que están sometidos a la variabilidad de los ciclos meteorológicos con períodos secos y húmedos y de imposible control. Los emplazamientos hidráulicos suelen estar lejos de las grandes poblaciones, por lo que es necesario transportar la energía eléctrica producida a través de costosas redes de transmisión. Otro aspecto poco favorable es el efecto negativo que puede tener la creación de un embalse sobre el entorno, con problemas de alteración de cauces, erosión, incidencias sobre poblaciones, pérdida de suelos fértiles, etc.

Estos inconvenientes, unidos a las grandes inversiones necesarias en este tipo de centrales, y a la cada vez más difícil localización de emplazamientos son los que impiden una mayor utilización de esta fuente energética. Sin embargo la energía hidráulica sigue siendo la más empleada entre las fuentes de energía renovables para la producción de energía eléctrica. Sirvan como ejemplo la presa de Itaipú, en Brasil, sobre el río Paraná con 14.000 MW de potencia en continua operación y que abastece el 15% de la energía de Brasil y el 95% de Paraguay, y el sistema de las Tres Gargantas, en China, con 18.000 MW instalados.

7. ¿Qué es la energía solar y cómo se aprovecha?

La energía solar es la que llega a la Tierra en forma de radiación electromagnética procedente del Sol, en donde es generada por un proceso de fusión nuclear.

En el Sol se producen constantemente reacciones nucleares de fusión: los átomos de hidrógeno se fusionan dando lugar a un átomo de helio, liberando una gran cantidad de energía. La pequeña parte que llega a la Tierra, es además parcialmente reflejada hacia el espacio exterior por la presencia de la atmósfera terrestre.

La energía solar llega a la superficie de la Tierra por dos vías diferentes:

  • • Incidiendo sobre las áreas iluminadas (radiación directa).
  • • Por reflexión de la radiación solar absorbida por el aire y el polvo atmosférico (radiación difusa).

La primera es aprovechable de forma directa. Los colectores planos y las células fotovoltaicas aprovechan la segunda, en alguna medida.

Las ventajas de la energía solar son:

5

  • • Es una fuente energética inagotable a escala humana y no contaminante.
  • • Mediante tecnologías que logran su concentración, se pueden alcanzar temperaturas de hasta 3.000 ºC, que en principio permiten poner en marcha ciclos termodinámicos de alto rendimiento.

Los inconvenientes de esta fuente de energía son:

  • • No puede ser almacenada, por lo que tiene que ser transformada inmediatamente en otra forma de energía (calor, electricidad, biomasa o bombeo de agua a los embalses).
  • • Su aprovechamiento exige disponer de sistemas de captación que ocupan grandes superficies de terreno y algunos de sus principales componentes son muy costosos.
  • • Es discontinua y aleatoria por la variabilidad de la insolación. No garantiza el suministro energético continuo, pero sí puede resultar una importante ayuda para disminuir el empleo de otras energías contaminantes.

Por tanto la energía solar que llega a la Tierra es gratuita, pero su transformación en energía útil es muy costosa y, en muchos casos, está en fase de experimentación.

El aprovechamiento de la energía solar puede hacerse por dos vías: térmica y fotovoltaica.

  1. Vía térmica: transforma la energía proveniente del Sol en energía calorífica. Esta transformación puede darse a baja, media y alta temperatura. La transformación a baja temperatura se emplea, generalmente, para calefacción doméstica, climatización de locales, calentamiento de agua en hospitales, piscinas.... Se utilizan unos colectores planos que alojan un circuito con un fluido que absorbe la radiación solar y lo transmite en forma de calor al sistema de calefacción. Estos sistemas aprovechan la energía solar a temperaturas que oscilan entre 35 ºC y 90 ºC, siendo actualmente la principal aplicación de la energía solar térmica en España.

En las instalaciones que trabajan a media temperatura, entre 90 ºC y 200 ºC, utilizan un conjunto de colectores de concentración de distintas formas:

  1. Cilíndrico-parabólica: recogen la energía solar y la transmiten a un fluido (aceite térmico) en forma de calor.
  2. Heliostatos: formados generalmente por espejos orientables de forma que la radiación incidente sea reflejada en un punto fijo. Las aplicaciones de este tipo de instalaciones son fundamentalmente industriales.

Las instalaciones a alta temperatura son las centrales termoeléctricas con temperaturas superiores a 400 ºC. Están formadas por una amplia superficie de heliostatos sostenidos por soportes que reflejan la radiación solar y la concentran en un pequeño punto receptor. Este receptor transmite la radiación solar en forma de calor a un fluido (agua, aire, metales líquidos) que circula por un circuito primario. En un generador de vapor se transmite esa energía a un segundo circuito, produciendo el vapor de agua capaz de accionar un grupo turbina- alternador productor de la energía eléctrica. El rendimiento de estas instalaciones es aproximadamente del 20%.

  1. Conversión fotovoltaica: los sistemas solares fotovoltaicos están formados por un conjunto de células solares o fotovoltaicas dispuestas en paneles que transforman directamente la energía solar en energía eléctrica.

La luz solar transporta la energía en forma de un flujo de fotones. Cuando estos fotones inciden en determinado tipo de materiales y bajo ciertas condiciones, provocan una corriente eléctrica. Es lo que se conoce como efecto fotovoltaico.

Las células solares o fotovoltaicas son pequeños elementos fabricados con un elemento cristalino semiconductor dopado, silicio-germanio (Si-Ge). Al incidir sobre ellas, los fotones producen un movimiento de electrones en el interior de la célula y aparece entre sus extremos una diferencia de potencial que los convierte en un pequeño generador eléctrico. El coste actual de estas células es muy elevado, su rendimiento es bajo (10-15%) y su fabricación muy contaminante.

El desarrollo de estos sistemas está ligado a la técnica de los satélites artificiales. En una primera etapa, debido a la fiabilidad de su funcionamiento, su reducido peso y sus escasas necesidades de mantenimiento, estos sistemas fueron utilizados para cubrir las necesidades energéticas de los satélites.

El desarrollo tecnológico se empeña en mejorar el rendimiento de estos sistemas y reducir su coste hasta hacerlos económicamente viables.

8. ¿Qué es la energía eólica y cómo se aprovecha?

6La energía eólica es la energía producida por el viento. Fue una de las primeras fuentes de energía utilizadas por el hombre. Los barcos de vela y los molinos de viento son las primeras manifestaciones del aprovechamiento energético de la energía eólica. En la actualidad existen sistemas para aprovechar la energía cinética del viento y transformarla, posteriormente, en energía eléctrica mediante los aerogeneradores.

Esta fuente de energía presenta las ventajas y los inconvenientes de la energía solar: es inagotable, limpia, no contaminante, y, una vez hecha la instalación para su captación, gratuita. Pero al mismo tiempo es dispersa, intermitente y se presenta de forma irregular en cuanto a su intensidad. Las principales aplicaciones de la energía eólica en aquellos lugares a los que llega el viento de forma regular y con gran intensidad son:

  1. Aerobombas. Para elevar el agua se usan ruedas de seis a quince álabes, que pueden bombear de quinientos a seiscientos litros por hora, cantidad suficiente para cubrir las necesidades de pequeñas explotaciones agrícolas.
  2. Producción de energía eléctrica mediante aerogeneradores. Para ello se instala una torre en cuya parte superior existe un rotor con múltiples palas que se orientan en la dirección del viento. Estos rotores actúan sobre un generador que permite obtener energía eléctrica.

  1. Aerogeneradores aislados: se instalan en zonas aisladas en las que no se dispone de energía eléctrica. Pueden obtenerse potencias de diez a cien kW.
  2. Plantas eólicas: están formadas por un cierto número de aerogeneradores, habiéndose alcanzado ya potencias unitarias cercanas a 2 MW. En la actualidad, para lograr un mayor aprovechamiento de la energía eólica, se están desarrollando modelos de equipos encaminados a la producción de energía eléctrica con un menor tamaño, una mayor duración y un mantenimiento más sencillo y barato, procurando mitigar el impacto ambiental producido por los aerogeneradores.

España es hoy la segunda potencia mundial, tras Alemania, en capacidad instalada, con cerca de 10.000 MW. Sin embargo, los aerogeneradores sólo logran operar entre un 20% y un 30% de las horas del año y sin coincidir generalmente con las horas de máxima demanda.

9. ¿Qué es la energía biomásica y cómo se puede aprovechar?

7Es la energía que se puede obtener de los compuestos orgánicos formados en procesos naturales. Es lo que comúnmente se denomina biomasa.

La energía de la biomasa se puede conseguir fundamentalmente:

  • • Estableciendo determinados cultivos vegetales que puedan transformarse posteriormente en energía (biomasa cosechable).
  • • Aprovechando residuos forestales, agrícolas y domésticos, transformándolos en combustible (biomasa residual).
  • • Transformando química o biológicamente ciertas especies vegetales para convertirlas también en combustible (metanol y etanol).

La principal aplicación de la biomasa cosechable es la producción de calor en un proceso de combustión. Para este fin se suelen utilizar plantas de tipo herbáceo y leñoso, obtenidas en ecosistemas naturales, o en cultivos destinados a este fin (agroenergética). En la actualidad se trabaja en este tipo de cultivos, pudiendo ser en el futuro la biomasa cosechable la fuente más importante de biomasa para fines energéticos.

Sin embargo la baja capacidad calorífica significa dedicar amplios terrenos a esos cultivos, lo que podría entrar en conflicto con los usos agrícolas. Se valora por la OCDE que para abastecer hasta un 15% de la demanda de combustible del transporte habría que dedicar un 20% de la superficie actual al cultivo de plantas productoras de etanol.

La biomasa residual también ofrece en principio grandes perspectivas en cuanto a su aprovechamiento energético. En este grupo se incluyen los residuos forestales, agrícolas y ganaderos, así como los producidos en los núcleos urbanos (residuos sólidos y aguas residuales principalmente). Estas perspectivas quedan limitadas debido a la contaminación que se produce al eliminar estos residuos y que en ocasiones no compensa los beneficios de la energía que se puede generar, por lo que este tipo de biomasa se utiliza sobre todo en instalaciones que aprovechan sus propios residuos, como en granjas, depuradoras urbanas, o industrias forestales, lugares en los que, además de obtener energía, se ahorran los costes de eliminación de residuos.

Otro gran apartado de recursos energéticos obtenidos de la biomasa lo constituyen los biocombustibles líquidos obtenidos a partir de los aceites vegetales, destinados a sustituir al gasóleo en los motores diésel, o el bioetanol, obtenido por fermentación de la biomasa dirigido a los motores que utilizan la gasolina como combustible. Estos biocarburantes pueden ser utilizados solos o mezclados en los motores de combustión interna pudiendo llegar a ser un puente de transición entre una época dominada por los combustibles de origen fósil y otra potencialmente abierta a la utilización de la biomasa.

10. ¿Qué es la energía geotérmica y cómo se aprovecha?

Podemos considerarla como la energía que encierra la Tierra en forma de calor, y que ha sido producida fundamentalmente en la desintegración de las sustancias radiactivas de su núcleo. Este calor tiende a difundirse en el interior hasta escapar por la superficie de la corteza terrestre. Esta energía sería suficiente para cubrir las necesidades mundiales si pudiera aprovecharse, pero la energía geotérmica es una energía difusa y de difícil aprovechamiento.

La temperatura se distribuye de forma irregular según las zonas de la corteza terrestre. Las bolsadas de magma que proceden de las zonas más profundas se desplazan hacia zonas de menor presión. A su contacto las rocas se funden y desprenden grandes cantidades de gases que tienden a salir por las grietas y las fisuras de la corteza, dando lugar a fenómenos de vulcanismo, como son las erupciones volcánicas, salidas de gases a altas temperaturas (fumarolas y solfataras), salida de agua hirviendo y vapor (géiseres) y salidas de agua caliente (fuentes termales), aunque sólo algunas de estas son aprovechables.

La energía geotérmica ha sido utilizada por el hombre desde los tiempos más remotos. En la actualidad se intenta buscar la forma de aprovechar esta inmensa cantidad de energía que encierra la Tierra en forma de calor y que salvo casos aislados queda desaprovechada o perdida.

En las zonas que podríamos llamar privilegiadas (Islandia o partes de Italia), el aprovechamiento de la energía geotérmica se puede realizar a varias temperaturas.

  • • Baja temperatura: se aprovecha directamente el calor que emerge a menos de 100 ºC en múltiples aplicaciones: calefacción, agua caliente doméstica y sanitaria, piscinas, invernaderos, secaderos, etc. Esta utilización presenta un inconveniente importante, y es que, debido al bajo nivel térmico del fluido, tiene que ser utilizado en aplicaciones directas del calor, por lo que el centro de consumo debe estar cerca del yacimiento.
  • • Media y alta temperatura: para extraer la energía almacenada en la litosfera necesitamos la presencia de un fluido geotérmico intermedio (amoniaco o freón) que actúe como un vehículo transportador de la energía. El fluido geotérmico, una vez alcanzada la superficie, debe someterse a una serie de transformaciones para su utilización. Los fluidos geotérmicos con una temperatura superior a 150 ºC se emplean para la producción directa de electricidad, mediante distintos tipos de ciclos. Si la temperatura está comprendida entre 100 y 150 ºC, la utilización de esta energía es en procesos industriales.

En la actualidad, las líneas de investigación van encaminadas a realizar proyectos de transformación de energía geotérmica a baja temperatura, con inversiones menores y sondeos menos profundos, siendo menores los riesgos geológicos y los problemas de explotación y de montaje empresarial.

11. ¿Qué es la energía mareomotriz y cómo se puede aprovechar?

La energía mareomotriz es la energía desarrollada por las aguas del mar cuando están en movimiento.

Las mareas son el resultado de la atracción gravitatoria ejercida por el Sol y la Luna sobre nuestro planeta. En algunos lugares el desnivel de las mareas alcanza con frecuencia varios metros entre la marea baja y la marea alta (bajamar y pleamar). Su utilización industrial sólo es posible en aquellas zonas costeras que reúnan determinadas condiciones topográficas y marítimas en las cuales el valor de amplitud del desnivel de las mareas sea comparable a una instalación hidroeléctrica de escasa altura de caída de agua, pero de considerable masa de ésta.

En algunos casos particulares en que la marea penetra por un paso estrecho, es posible mediante diques dejar entrar en él la marea ascendente y hacer pasar el agua a través de turbinas cuando la marea se retira. Este es el principio de las centrales mareomotrices.

La energía de las olas es mucho más difícil de dominar y hasta el presente no se ha desarrollado la tecnología adecuada.

12. ¿Qué es el carbón y qué usos tiene?

8El carbón es un combustible fósil, resultado final de una serie de transformaciones sobre restos vegetales acumulados en lugares pantanosos, lagunas y deltas fluviales, principalmente durante el período carbonífero de la Era primaria.

Por acciones químicas diversas y variaciones de presión y temperatura a lo largo de grandes intervalos de tiempo estos vegetales se transforman en carbón en un proceso llamado carbonización. De forma resumida se puede decir que tras la fase de depósito de los vegetales comienza la acción de las bacterias anaerobias (sobre la celulosa y la lignina fundamentalmente). Los cambios que dan lugar a la transformación de madera en carbón son de dos tipos: químicos y estructurales. En los químicos se va desprendiendo hidrógeno y oxígeno a medida que la proporción de carbono aumenta. En algunos casos (como en la antracita) llega a constituir casi la totalidad del producto resultante.

Existen también cambios estructurales. La estructura fibrosa de la madera se transforma en estructura microcristalina distinta para cada variedad de carbón, y su color cambia de pardo a negro.

Existen cuatro tipos de carbones diferentes, debido a las distintas clases de vegetal del que proceden y sobre todo a la duración y condiciones (presión y temperatura del proceso de carbonización). Estos son:

  • • Antracita: es un carbón duro, totalmente carbonizado. Muy compacto y brillante. Con brillo nacarado y color negro.
  • • Hulla: es un carbón duro, totalmente carbonizado. Color negro lustroso. Brillo nacarado a bandas brillantes y mates.
  • • Lignito: negruzco. Es un carbón blando perteneciente (como la turba) a épocas posteriores al carbonífero, por lo que no ha sufrido el proceso de carbonización completo. Tiene aspecto de madera quemada y brillo a trozos.
  • • Turba: es el más reciente de los carbones. Es blando, de color marrón, mate, ligero de peso y en él se observan todavía restos de plantas.

La potencia calorífica de estos carbones varía de 2.000 a 7.000 kcal/kg, desde la antracita y hulla hasta lignito y turba. Asimismo, su humedad oscila del 3% hasta el 40% y las sustancias volátiles pueden ir desde el 8% hasta el 50%. Como principal impureza tenemos el azufre (S) y el nitrógeno (N), que al quemarse el carbón se liberan en forma de SO2 y NOX para unirse posteriormente al vapor de agua y producir las lluvias ácidas.

Además está el CO2, penalizado por el protocolo de Kioto. En la actualidad hay importantes investigaciones para el secuestro del CO2 emitido mediante su bombeo a formaciones geológicas y la aplicación de sistemas de filtrado de los gases antes citados. Las aplicaciones más importantes del carbón son:

  • • Como combustible doméstico e industrial.
  • • Como reductor en la siderurgia.
  • • Como combustible en las centrales térmicas.

La antracita se utiliza fundamentalmente como combustible doméstico e industrial. La destilación seca de la hulla da lugar a cuatro fracciones: amoníaco, alquitrán, gas natural y coque. Este último (duro, resistente y poroso) se utiliza en la metalurgia del hierro y del acero (siderurgia). El lignito se emplea fundamentalmente en las centrales térmicas para obtener de él energía eléctrica. La turba se utiliza como combustible doméstico.

13. ¿Qué es el petróleo y qué usos tiene?

9El petróleo es un aceite mineral de color muy oscuro o negro, menos denso que el agua y de un olor acre característico. Está formado por una mezcla de hidrocarburos acompañados de azufre, oxígeno y nitrógeno en cantidades variables. El petróleo se encuentra sólo en las rocas sedimentarias.

El petróleo se origina a partir de una materia prima formada fundamentalmente por restos de organismos vivos acuáticos, vegetales y animales que vivían en los mares, las lagunas, las desembocaduras de los ríos y en las cercanías del mar. Estos restos fueron atacados en los fondos fangosos por bacterias anaerobias que consumieron su oxígeno dejando únicamente moléculas de carbono e hidrógeno llamadas hidrocarburos.

La presión ejercida por la enorme masa de sedimentos provoca la expulsión del líquido que se encuentra entre las capas de la roca sedimentaria. Este líquido, el petróleo, migra siguiendo la pendiente a decenas de kilómetros hasta que encuentre una roca porosa e incomprensible cuyos huecos rellena. Esta roca es la llamada roca almacén.

El crudo del petróleo es una mezcla de hidrocarburos desde el más sencillo (CH4, metano), hasta especies complejas con 40 átomos de carbono. El petróleo, tal como mana del pozo, tiene muy pocas aplicaciones. Para obtener los diversos derivados es necesario someterlo a un proceso de refino, cuya operación principal es la destilación fraccionada. En ella obtenemos, a distintas temperaturas, toda una gama de productos comerciales a partir del petróleo bruto. Sustancias gaseosas tales como metano, etano, propano y butano; líquidas como las gasolinas, el queroseno y el fuelóleo; sólidas como las parafinas y los alquitranes, se obtienen a distintas temperaturas en este proceso.

Los campos petrolíferos se encuentran normalmente muy lejos de los lugares de consumo. El transporte terrestre de los crudos se realiza, normalmente, a través de oleoductos que van del pozo a la refinería o al puerto de expedición más próximo. El transporte marítimo a larga distancia lo cubren los buques cisternas o petroleros.

Los principales usos del petróleo son:

  1. Como combustible doméstico e industrial.
  2. Como carburante y lubricante.
  3. Como materia prima básica en la industria petroquímica.

10Para satisfacer las necesidades del mercado ha sido necesario desarrollar técnicas de transformación que, modificando la estructura de los productos obtenidos en la destilación fraccionada, permitan obtener las sustancias que la sociedad demanda. Entre esas técnicas, las más importantes son el craqueo y la polimerización.

En la operación de craqueo lo que se logra es la ruptura de una molécula pesada con muchos átomos de C (fuelóleo, por ejemplo), originando varias moléculas ligeras (gasolinas y gases, por ejemplo).

La polimerización es la unión de varias moléculas de un compuesto simple llamado monómero (p. ej. etileno), para formar una molécula más compleja llamada polímero (p. ej. polietileno). Este proceso es de gran importancia en la industria petroquímica.

Una de las aplicaciones más importantes del petróleo es su utilización como materia prima en toda la industria petroquímica. El 60% de los productos químicos que se encuentran en el mercado y el 80% del sector orgánico proceden de la petroquímica. Abonos, plásticos, anticongelantes, detergentes, cauchos sintéticos, colorantes, explosivos, fibras plastificantes, disolventes... son productos obtenidos a partir del petróleo.

Por todo ello, podemos afirmar que el petróleo juega un importante papel, no sólo en el campo de los suministros energéticos, sino también en el de la industria química.

14. ¿Qué es el gas natural y qué usos tiene?

El gas natural es una mezcla de gases entre los que se encuentra en mayor proporción el metano. La proporción en la que se encuentra este compuesto es del 75% al 95% del volumen total de la mezcla. El resto de los componentes son etano, propano, butano, nitrógeno, dióxido de carbono, sulfuro de hidrógeno, helio y argón.

El desarrollo del empleo del gas natural se ha realizado con posterioridad al uso del petróleo. El gas natural que aparecía en casi todos los yacimientos petrolíferos se quemaba como un residuo más. A pesar de su enorme poder calorífico no se podía aprovechar, por los grandes problemas que planteaban su almacenamiento y transporte.

La necesidad de encontrar nuevas fuentes de energía, la puesta a punto de las técnicas de licuefacción de gas y procedimientos de soldadura de tuberías para resistir grandes presiones, han hecho posible la utilización de todos estos recursos energéticos. Hoy Europa es abastecida por una red de gasoductos que recorren miles de kilómetros y están en proyecto otros nuevos con Asia y Argelia.

El gas natural se utiliza:

  1. Como combustible doméstico e industrial: tiene un gran poder calorífico. Su combustión es regulable y produce escasa contaminación. Incluso la producción de CO2 es poco mayor de la mitad de la producida por los restantes combustibles fósiles.
  2. Como materia prima en la industria petroquímica para la obtención de amoníaco, metanol, etileno, butadieno y propileno.

15. ¿Es lo mismo energía nuclear que energía atómica?

Los términos energía atómica y energía nuclear son sinónimos y definen el mismo concepto. La razón de esta doble denominación es de origen histórico.

Existen unos países a los que podemos llamar "pioneros" en las investigaciones relacionadas con la energía emitida por los cuerpos radiactivos y otros a los que podemos llamar "usuarios" de dicha energía.

Entre los primeros podemos incluir a Francia y al Reino Unido, países en los que Becquerel, los esposos Curie, Rutherford y sus colaboradores hablaban en sus comunicaciones de energía atómica y lo que estudiaban eran "las grandes cantidades de energía almacenadas en los átomos radiactivos". En el segundo grupo (en el que podemos incluir a España) el término nuclear es el que se empezó a utilizar con rigor y precisión.

Existe un intento de generalizar el uso del término nuclear en todos los países. Sin embargo es difícil que se deje de hablar de energía atómica por la gran cantidad de organismos oficiales y de normas que llevan de forma implícita este término.

16. ¿Cómo está constituido el núcleo de los átomos?

El núcleo de los átomos fue descubierto en 1911 por Rutherford a partir del análisis de partículas a emitidas por los átomos. Es a partir de 1932, con el descubrimiento del neutrón por Chadwick y con las reacciones llevadas a cabo por los esposos Joliot-Curie, cuando el núcleo empieza a tener verdadera importancia.

El núcleo tiene dimensiones muy reducidas. Ocupa la parte central del átomo; en él reside toda la carga positiva y casi la totalidad de la masa atómica. Está formado fundamentalmente por protones y neutrones. Los protones tienen una carga positiva cuantitativamente igual a la del electrón (1,602 x 10-19 culombios). Los neutrones son eléctricamente neutros.

11A las partículas del núcleo se les llama nucleones. Las fuerzas que mantienen unidas las partículas del núcleo entre sí, venciendo, incluso, las de repulsión electrostática entre los protones, son unas fuerzas de naturaleza desconocida y corto alcance que sólo aparecen en el interior de los núcleos y que se llaman fuerzas nucleares.

A la energía acumulada por estas fuerzas nucleares se la llama energía de enlace o de ligadura y se calcula mediante la relación de Einstein E = mc2.

Al determinar la masa del núcleo observamos que es inferior a la suma de la masa de los componentes. La diferencia entre ambas se llama defecto másico (/\m) y la energía de enlace será E = /\ m · c2.

Una parte de la masa del núcleo se ha transformado en energía de enlace para mantener unidas las partículas del núcleo. Esta energía es la que se libera en una reacción nuclear. Dividiendo la energía de enlace o de ligadura por el número de componentes del núcleo, se obtiene la energía media por nucleón, valor que nos indica la estabilidad del núcleo. Si la energía media de enlace tiene un valor alto, será un núcleo estable. Si su valor es pequeño, será inestable y tenderá a emitir alguno de sus componentes para convertirse en otra forma más estable. En este caso el núcleo es radiactivo.

17. ¿Qué es la fisión nuclear?

12La fisión nuclear es una reacción en la cual un núcleo pesado, al ser bombardeado con neutrones, se convierte en inestable y se descompone en dos núcleos, cuyos tamaños son del mismo orden de magnitud, con gran desprendimiento de energía y la emisión de dos o tres neutrones. Éstos, a su vez, pueden ocasionar más fisiones al interaccionar con nuevos núcleos fisionables que emitirán nuevos neutrones y así sucesivamente. Este efecto multiplicador se conoce con el nombre de reacción en cadena. En una pequeña fracción de segundo, el número de núcleos que se han fisionado libera una energía un millón de veces mayor que la obtenida al quemar un bloque de carbón o explotar un bloque de dinamita de la misma masa. Debido a la rapidez a la que tiene lugar una reacción nuclear, la energía se desprende mucho más rápidamente que en una reacción química. Este es el principio en el que está basada la bomba atómica. Las condiciones bajo las que se llegó a su descubrimiento y construcción forman parte de la historia de la humanidad y son conocidas por todos.

Si por el contrario se logra que sólo uno de los neutrones liberados produzca una fisión posterior, el número de fisiones que tienen lugar por segundo es constante y la reacción está controlada. Este es el principio del funcionamiento en el que están basados los reactores nucleares, que son fuentes controlables de energía nuclear de fisión.

18. ¿Qué es la fusión nuclear?

Recibe el nombre de fusión nuclear la reacción en la que dos núcleos muy ligeros se unen para formar un núcleo estable más pesado, con una masa ligeramente inferior a la suma de las masas de los núcleos iniciales. Este defecto de masa da lugar a un gran desprendimiento de energía. La energía producida por el Sol tiene este origen.

Para que tenga lugar la fusión, los núcleos cargados positivamente deben aproximarse venciendo las fuerzas electrostáticas de repulsión. En la Tierra, donde no se puede alcanzar la gran presión que existe en el interior del Sol, la energía necesaria para que los núcleos que reaccionan venzan las interacciones se puede suministrar en forma de energía térmica o utilizando un acelerador de partículas.

La solución más viable es la fusión térmica. Estas reacciones de fusión térmica, llamadas reacciones termonucleares, se producen en los reactores de fusión y fundamentalmente con los isótopos de hidrógeno (protio: 11H, deuterio: 21 H, y tritio: 31H). Entre las posibles reacciones nucleares de fusión están:

21H + 21H -> 31H + 11H + 4 MeV

21H + 21H -> 32He + 10n + 3,2 MeV

21H + 31H -> 42He + 10n + 17,6 MeV

El aprovechamiento por el hombre de la energía de fusión pasa por la investigación y el desarrollo de sistemas tecnológicos que cumplan dos requisitos fundamentales: calentar y confinar. Calentar para conseguir un gas sobrecalentado (plasma) en donde los electrones salgan de sus órbitas y donde los núcleos puedan ser controlados por un campo magnético; y confinar, para mantener la materia en estado de plasma o gas ionizado, encerrada en la cavidad del reactor el tiempo suficiente para que pueda reaccionar.

Este tipo de reacciones son muy atractivas como fuente de energía ya que el deuterio no es radiactivo y se encuentra de forma natural y prácticamente ilimitada en la naturaleza. El tritio no se presenta de forma natural y además es radiactivo. Sin embargo las investigaciones están básicamente centradas en las reacciones deuterio-tritio, debido a que liberan una mayor energía y la temperatura a la que tiene lugar la fusión es considerablemente menor que en las otras.

19. ¿Qué es el hidrógeno y cuál es su papel como vector energético?

13El hidrógeno es el elemento químico más ligero y abundante en el universo. En nuestro planeta apenas se encuentra en estado libre (200 Mt). Aunque su producción es un proceso fundamentalmente endotérmico, es decir, siempre gastaremos mas energía en producirlo que el que obtendremos en su utilización, la consideración del proceso económico y de gestión global de esta fuente energética en las esperadas condiciones futuras de la demanda energética puede aportar un resultado final que la convierta en competitiva. Esto quiere decir que o bien su producción debe ser fácil y barata o el coste y la oportunidad de su sustitución justifican su uso.

El hidrógeno destaca como combustible por el carácter limpio de su energética reacción de oxidación para formar agua (242 kJ/mol) y porque ésta es casi tres veces más energética por unidad de masa que la reacción de oxidación de los hidrocarburos y resto de combustibles fósiles.

Esta nueva fuente energética adquiere valor económico y competitividad al ser una alternativa del petróleo y del gas, sobre todo en el transporte, y al incorporarse al "mix" energético. El carácter finito de los combustibles fósiles, que en el caso del petróleo y del gas tienen fecha actual de agotamiento en el presente siglo, unido a la preocupación de estar concluyendo la fase de explotación fácil y de bajo coste del petróleo, inciden en la creciente importancia del hidrógeno como energía sustitutiva de estos. Además, hay que añadir que es una fuente energética limpia de gases del efecto invernadero en su uso, aunque no sea así en todos los métodos de producción.

En la actualidad, el hidrógeno se obtiene principalmente a partir de los combustibles fósiles, generándose gases de efecto invernadero. Sin embargo es posible su producción limpia mediante electrólisis del agua o disociando directamente esta molécula con temperaturas del orden de los 2.500 ºC. Este último procedimiento es objeto de investigación y está registrando avances muy importantes mediante los nuevos ciclos termoquímicos con catalizadores avanzados y membranas, logrando reducir dicha temperatura al entorno de los 900 ºC o incluso 550 ºC.

En la producción del calor necesario para alcanzar las citadas temperaturas y sin verter gases del efecto invernadero, se abren paso los reactores nucleares de alta temperatura (HTGR), para el rango de los 950 ºC y se añaden los reproductores rápidos para los valores de 550 ºC. En la actualidad hay funcionando prototipos de reactores HTGR conectados a una planta de generación de hidrógeno con un plan de pruebas enfocado a disponer de un modelo comercial en la próxima década. También existe una oportunidad para la energía solar mediante su concentración.

Téngase en cuenta que una tonelada de hidrógeno producida por el sistema actual de reformado (descomposición) de la molécula del gas natural (metano) genera 7,75 t de CO2, provenientes un 70% de la reacción química y un 30% de quemar parte de este metano para alcanzar la temperatura de reacción. Si en su lugar se aportase directamente vapor de agua calentado por un reactor nuclear entonces el CO2 sería un 30% menos.

Las reacciones de reformado del metano se realizan con un catalizador de níquel y a temperatura entre 550 y 900 ºC:

CH4+ H2O -> CO + 3H2 – 206 kJ/mol

CH4 + 2H2O  -> CO2 +3H2 – 165 kJ/mol

CO2 + H2O -> CO2 + H2 + 41 kJ/mol

La electrolisis mediante energía eléctrica ahora supone el 4% del total producido, con la restricción de su elevado coste. Se abre la posibilidad de producir esta electricidad con energías renovables pero hay que considerar los condicionantes que conlleva por su irregularidad, la ocupación del terreno necesaria y los costes finales de transporte, ya sea del hidrógeno o de la energía eléctrica.

La utilización del hidrógeno se hace en motores mediante su oxidación directa con el oxígeno, o últimamente mediante la tecnología de las celdas de combustible ahora en pleno desarrollo. Se trata de una "máquina" inversa a una batería, de forma que aportando por sus dos electrodos: ánodo y cátodo, hidrógeno y oxígeno, respectivamente, genera electricidad y agua, con rendimientos del 70%.

De confirmarse la viabilidad económica y de gestión del uso del hidrógeno, estaríamos en el umbral de una nueva era energética con un nuevo e importante "vector energético" capaz de crear una economía alternativa a la actual basada en el petróleo. Hablamos de vector pues es una energía que requiere ser elaborada y como tal es un producto y a la vez un servicio como la electricidad. El hidrógeno se utiliza hoy en la industria química y en la aeroespacial. También existen, ya, prototipos de vehículos impulsados por este gas circulando en algunos países.

Solo para poder mantener la demanda de la industria petroquímica, se estima que deberá duplicarse su producción a final de la presente década y cuadruplicarse en 20 años. Si a esto se le añade su posible incorporación a la economía del transporte (25% del consumo de energía primaria mundial) y a la de generación de calor (40%) y electricidad, entonces las necesidades de este combustible salen de escala.

La producción mundial de H2 supera los 50 Mt, cantidad suficiente para abastecer 150 millones de coches con celdas de combustible o alimentar energéticamente a cerca de 30 millones de hogares. Esta producción de H2 (2% de la demanda de energía primaria mundial) necesitaría la producción de 104 reactores nucleares dedicados.

Hablar del hidrógeno como fuente energética sostenible del futuro significa, finalmente, hablar de energía nuclear y de renovables para su producción.


 

Utilizamos cookies propias y de terceros para mejorar nuestros productos y servicios mediante el análisis de sus hábitos de navegación. Al aceptar el presente aviso entendemos que das tu consentimiento a nuestra Política de cookies.

  Aceptar Política de cookies.