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TECNOLOGÍA INDUSTRIAL – (1º Bachillerato)
BLOQUE 1: Recursos energéticos
1. DEFINICIÓN DE ENERGÍA.
La energía tiene diversas definiciones, en física, la energía se define como la
capacidad para realizar un trabajo. En tecnología y economía, la energía se refiere a un
recurso natural para extraerla, transformarla, y luego darle un uso industrial o económico.
2. UNIDADES DE MEDIDA: JULIO, KWH Y CALORÍA
La unidad de energía definida por el sistema internacional (SI) de unidades es el julio,
que se define como el trabajo realizado por una fuerza de un newton en un
desplazamiento de un metro en la dirección de la fuerza, es decir, equivale a multiplicar
un Newton por un metro.
El julio también es igual a 1 vatio·segundo (Ws) por lo que eléctricamente es el
trabajo realizado por una diferencia de potencial de 1 voltio y con una intensidad de 1
amperio durante un tiempo de un segundo
El kilovatio hora, abreviado KWh, indica el trabajo o energía desarrollada (cedida) o
consumida por un ser vivo o máquina, que tiene una potencia de 1 KW y está
funcionando durante una hora, equivalente a 3,6 millones de julios. Esta unidad es
masivamente empleada en máquinas eléctricas y para indicar consumos eléctricos
(contadores). 1 KWh = 1 000 Wh.
Caloría. Es la cantidad de calor necesaria para elevar un grado de temperatura (para
pasar de 14,5 °C a 15,5 °C) un gramo de agua, a presión atmosférica normal (nivel del
mar). La fórmula que relaciona la temperatura adquirida por una masa de agua y el
calor absorbido es: Q = m· (Tf –Ti), donde m está expresado en gramos, las
temperaturas en °C y el calor Q en calorías. La equivalencia entre calorías y julios es:
1 cal = 4,18 J. Se emplea mucho cuando se habla de energía térmica.
3. FORMAS DE MANIFESTACIÓN DE LA ENERGÍA: MECÁNICA, CALORÍFICA,
QUÍMICA, ELÉCTRICA...
La energía mecánica es la energía que se debe a la posición y al movimiento de un
cuerpo, por lo tanto, es la suma de las energías potencial y cinética de un cuerpo en
movimiento. Expresa la capacidad que poseen los cuerpos con masa de efectuar un
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trabajo. Em = Ec + Ep
Energía cinética. Es la energía que posee un cuerpo debido a su velocidad.
Todos sabemos que, para una misma masa, cuanta mayor velocidad tiene el
objeto, mayor energía cinética posee. Ec = ½ ·m ·v2, donde m = masa del
cuerpo que se mueve y v = velocidad lineal del objeto.
Energía potencial. Puede ser de dos tipos: energía potencial gravitatoria y
energía potencial elástica.
- Energía potencial gravitatoria: Es la energía de un cuerpo debido a la
altura a la que se encuentra dentro de un campo de fuerzas determinado.
Nosotros nos vamos a centrar exclusivamente en el gravitatorio terrestre.
Epg = m·g·h, donde g = aceleración de la gravedad = 9,8 m/s2 y h = altura a
la que se encuentra el cuerpo.
- Energía potencial elástica: Una variante de la energía potencial es la
llamada energía elástica, que es la que se acumula en los cuerpos
elásticos (gomas, muelles, resortes, etc.) al ser comprimidos por la acción
de una fuerza. Su expresión matemática es:
en la que k es
una constante característica de cada muelle, que se expresa en N/m, y x es
la longitud que se deforma el muelle.
La energía térmica o calorífica se transfiere en forma de calor. El calor se transmite
entre cuerpos que se encuentran a distinta temperatura y que se ponen en contacto
(de forma directa o indirecta). Se dice que se alcanza el equilibrio térmico cuando la
temperatura de ambos se iguala. Su unidad es la caloría. La acumulación de energía
térmica en los cuerpos puede calcularse mediante esta fórmula: Q = Ce· m· (Tf – Ti);
donde Q = cantidad de calor en kcal, Tf = temperatura final en °C, Ce = calor
específico en kcal/kg °C, Ti = temperatura inicial en °C y m = masa en kg. Existen tres
formas de transmitir la energía térmica:
- Conducción. Paso de calor (energía) de un cuerpo de mayor temperatura a
uno de menor, por efecto de choques moleculares. Por ejemplo, un trozo de
carne que se cocina en una sartén. Q = (λ/d)·S·(Tf –Ti)·t , donde λ = coeficiente
de conductividad en kcal/m h °C, d = espacio entre dos superficies del mismo
cuerpo (m), S = superficies del mismo cuerpo (m2) y t = tiempo en horas.
- Convección. El calor asciende. Para ello es necesario que haya algún fluido
que lo transporte. Ejemplo: calor del radiador que asciende hasta el techo
porque el aire caliente tiene menos densidad. Q = a·S·(Tf –Ti)·t , donde a =
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coeficiente de convección en kcal/m2 h °C y t = tiempo en horas.
- Radiación. El calor se transmite en forma de ondas electromagnéticas. Un
cuerpo más caliente que el ambiente que lo rodea irradia calor en forma de
ondas que se transmiten a distancia. Por ejemplo, al situarse en los laterales
de una estufa, se recibe calor por radiación. Q = c·S·[(T2/100)4 –(T1/100)4]·t ,
donde c = coeficiente de radiación, T2 = temperatura absoluta del objeto que
irradia calor, T1 = temperatura absoluta del objeto irradiado y t = tiempo en
horas.
La energía química se origina al reaccionar dos o más productos químicos para
formar otro distinto. Así tenemos: alimentos al digerirlos los seres vivos, el carbón,
materias vegetales e hidrocarburos (combustibles derivados del petróleo) al
quemarse, etc. Q = Pc ·m (sólidos y líquidos), Q = Pc ·V (gases), donde Pc = poder
calorífico de un cuerpo al arder en kcal/kg o kcal/m3 y m = masa del cuerpo que se
quema (en kg).
La energía eléctrica es la energía que proporciona la corriente eléctrica.
Generalmente siempre se transforma y procede de otro tipo de energía, tal como
calor, energía mecánica, etc. Ee = P ·t = V ·I· t = I2· R· t; P = V· I y según la ley de
Ohm: V = I· R. Donde P = potencia expresada en vatios (W), t = tiempo en segundos,
V = voltaje en voltios (V), R = resistencia eléctrica en ohmios (Ω) y I = intensidad de
corriente en amperios (A).
La energía nuclear que puede ser de fisión o fusión. La energía nuclear de fisión se
obtiene al romper un núcleo de un material fisionable (uranio o plutonio). La energía
nuclear de fusión se obtiene al unir dos núcleos de dos átomos (litio y tritio) formando
helio y desprendiendo gran cantidad de calor. Albert Einstein demostró que la materia
se podía transformar en energía según la fórmula: E = m· c2, donde E = energía
producida en julios (J), m = masa que desaparece (en kg) y c = velocidad de la luz (3 ·
108 m/s).
La energía radiante se refiere a la que poseen las ondas electromagnéticas del tipo
ultravioleta, infrarroja, microondas, ondas de radio, etc. El Sol es una fuente inagotable
de energía radiante gracias a la cual se pueden calentar cuerpos expuestos a su
radiación (se estima una densidad de radiación superior a los 1000 W/m2), además de
poderla aprovechar para producir electricidad por medio de las células fotovoltaicas.
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4. PRINCIPIO DE CONSERVACIÓN DE LA ENERGÍA.
En todo proceso en el que interviene algún tipo de energía se cumple el primer
principio de la Termodinámica, que dice: la energía no se crea ni se destruye, sino que
se transforma.
U = Ef – Ei = Q – W
Donde, U es la variación de energía interna en el sistema, Ef y Ei es la energía final
e inicial, respectivamente, Q = calor o energía (de cualquier tipo) que recibe el sistema y
W el trabajo mecánico que se extrae del sistema.
Para este principio habría que excluir todos los procesos termonucleares en los que
parte de la masa se transforma en energía según la fórmula de Einstein.
En el supuesto de que el sistema perdiese calor en lugar de recibirlo, y el trabajo
fuese recibido (en forma de calor u otro tipo de energía) por el sistema en lugar de
aportarlo, Q y W tendrían los signos cambiados.
Si además de la energía interna (U) el cuerpo posee también energías cinética (Ec) y
potencial (Ep), su energía total, E, será la suma:
E = U + Ec + Ep
Pudiendo generalizar la ecuación anterior de la siguiente forma:
E2 – E1 = Q - W
Si el cuerpo experimenta una transformación de tipo únicamente mecánico (Q = 0),
desde un estado inicial 1 a otro final 2, resulta:
(Ep2 + Ec2) – (Ep1 + Ec1) = - W
y si la energía potencial permanece constante, como es el caso de un cuerpo que se
desplaza sobre una superficie horizontal, pasando su velocidad de v1 a v2, se cumple:
W = Ec1 - Ec2
En un sistema aislado (que no intercambia materia ni energía con el exterior), se
cumple:
Q = W = 0 → E1 = E2 = cte.
La energía total de un sistema aislado permanece constante, aunque si puede
transformar de unas clases a otras.
5. TRANSFORMACIONES ENERGÉTICAS. RENDIMIENTO.
En teoría, todas las formas de energía que hemos estudiado se puede transformar en
otras, pero en la práctica, no todas las transformaciones son posibles, sino sólo algunas.
En la transformación de la energía siempre se cumple el primer principio de la
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Termodinámica, enunciado en 1848 por el físico alemán Rudolf J. E. Clausius.
En la siguiente figura se muestra un esquema de las transformaciones entre las
distintas energías.
Además del principio de conservación de la energía, las transformaciones energéticas
deben cumplir también el segundo principio de la Termodinámica, que se enuncia así:
“En un sistema, no toda la energía puede ser transformada de una forma en otra.
Parte de ella se disipa en forma de calor o energía térmica”.
Es decir, no toda la energía aportada a un sistema se transforma en energía útil, es
decir, en producir trabajo aprovechable (útil). Por ejemplo, en un coche, parte de la
energía que se libera en la combustión de la gasolina se emplea en mover el automóvil,
pero otra parte se disipa en forma de calor y en vencer el rozamiento del aire, de las
ruedas sobre el asfalto, el que existe entre las diferentes piezas que rozan entre sí…
Este desperdicio de energía es el que indica la eficacia de una máquina, de forma que
cuanto menor sea la energía disipada, mayor será el aprovechamiento de la máquina.
La relación entre el trabajo útil realizado o energía útil y la energía aportada a la
máquina se llama rendimiento térmico () y se suele expresar en porcentaje:
= Energía útil o trabajo realizado / Energía aportada
Lo ideal sería que fuese igual a 1. Eso querría decir que la máquina no desperdiciaría
ninguna energía. Desgraciadamente, siempre es menor que 1 (nunca mayor). Este valor
se suele expresar en %, por lo que al resultado habría que multiplicarlo por 100.
6. FUENTES DE ENERGÍA NO RENOVABLES.
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Las fuentes de energía no renovables son aquellas que solo disponen de reservas
limitadas.
El carbón es una roca sedimentaria utilizada como combustible fósil, de color negro,
muy rico en carbono. Suele localizarse bajo una capa de pizarra y sobre una capa de
arena y arcilla. Se cree que la mayor parte del carbón se formó durante el período de
carbonífero.
El petróleo es una mezcla heterogénea de compuestos orgánicos, principalmente
hidrocarburos insolubles en agua. También es conocido como petróleo crudo o
simplemente crudo.
El gas natural es una fuente de energía no renovable formada por una mezcla de
gases que se encuentra frecuentemente en yacimientos de petróleo, no asociado,
disuelto o asociado con el petróleo o en depósitos de carbón.
La energía nuclear es la energía que se libera espontánea o artificialmente en las
reacciones nucleares. Sin embargo, este término engloba otro significado, el
aprovechamiento de dicha energía para otros fines como, por ejemplo, energía
eléctrica, térmica y mecánica a partir de reacciones nucleares, y su aplicación, bien
sea con fines pacíficos o bélicos. Así, es común referirse a la energía nuclear no solo
como el resultado de una reacción sino como un concepto más amplio que incluye
conocimientos y técnicas que permiten la utilización de esta energía por parte del ser
humano.
6.1. EL CARBÓN. PROCEDENCIA, TIPOS, UTILIZACIÓN E IMPACTO AMBIENTAL.
El carbón es una roca sedimentaria utilizada como combustible fósil, de color negro,
muy rico en carbono y otros
elementos químicos, tales como
hidrógeno, nitrógeno, oxígeno,
etc. Tiene una baja densidad y
alto poder calorífico.
Origen
En eras geológicas, y sobre
todo en el periodo carbonífero
(era primaria), grandes
extensiones del planeta estaban
cubiertas por una vegetación abundantísima que crecía en pantanos. Al morir las plantas,
quedaban sumergidas por el agua y se producía la descomposición anaeróbica (en
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ausencia de aire) de la materia orgánica. Debido a la acción de las bacterias anaeróbicas,
la materia orgánica fue ganando carbono y perdiendo oxígeno e hidrógeno, y se formaron
las turberas; este proceso, unido a los incrementos de presión por las capas superiores,
así como los movimientos de la corteza terrestre y, en ocasiones, el valor volcánico,
comprimieron y endurecieron los depósitos con el paso del tiempo, y provocaron cambios
físicos y químicos en los restos orgánicos y los transformaron en lo que hoy conocemos
como carbón.
Tipos de carbón
Atendiendo a la procedencia del carbón, este se puede clasificar en: carbón
mineral o vegetal (carbones artificiales). Los diferentes tipos de carbón se clasifican según
su contenido de carbono fijo.
Carbón mineral
Según la naturaleza de los vegetales y su antigüedad los carbones tienen una
composición diferente.
Antracita: contenido carbono (92-95%); poder calorífico (8000-9000 kcal/kg);
procedencia (Era Primaria); utilización (combustible alta calidad). La antracita es el
carbón con el mayor contenido en carbono y el máximo poder calorífico.
Hulla: contenido carbono (75-92%); poder calorífico (7000-8000 kcal/kg);
procedencia (Era Primaria); utilización (obtención de coque, centrales eléctricas,
calefacción). La hulla, es un carbón bituminoso con un menor contenido de
carbono, por lo que su poder calorífico también es menor.
Lignito: contenido carbono (60-75%); poder calorífico (6000-7000 kcal/kg);
procedencia (Era Secundaria + Terciaria); utilización (calefacción). El lignito, es un
carbón de peor calidad.
Turba: contenido carbono (45-60%); poder calorífico (2000-3500 kcal/kg);
procedencia (Muy reciente); utilización (modelado en forma de briquetas para
calefacción, tierra para macetas). La turba se forma en la primera etapa en la
formación de carbón, tiene un bajo contenido de carbono fijo y un alto índice de
humedad.
La presión y el calor adicionales pueden transformar el carbón en grafito, que es
prácticamente carbono puro.
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Carbones artificiales
Son creados o modificados por el hombre. Los más importantes son:
Carbón vegetal: se obtiene quemando madera, apilada en montones recubiertos
generalmente de barro, para evitar el contacto directo con el aire y, de esa manera
conseguir que la composición sea parcial. El proceso de obtención del carbón
vegetal comienza apilando leña para formar unos montículos que luego se
recubren de
tierra.
Posteriormente
se prende
fuego al centro
de la carbonera
y el calor que
desprende la combustión de la leña central cuece toda la madera a unos 400º C.
En instalaciones más modernas la leña se coloca en el interior de un recinto que
está parcial o totalmente enterrado para evitar pérdidas térmicas. Durante la
carbonización, la madera elimina su humedad y las sales y azúcares de la savia,
que contienen nitrógeno, hidrógeno, oxígeno o fósforo; de esta forma queda un
material negro brillante, poroso y ligero. Este carbón vegetal se utiliza como
combustible en calefacción doméstica o en fraguas de hierro, y como absorbente
en mascarillas antigás.
Carbón de coque: se obtiene por combustión incompleta de la hulla, en ausencia
de aire, logrando un producto prácticamente libre de materiales volátiles y alto
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poder calorífico. Se utiliza, fundamentalmente, como combustible y reductor de
óxidos metálicos en el alto horno, para la obtención de acero a partir de mineral de
hierro. Antiguamente se utilizaba para alimentar máquinas de vapor, uso
doméstico y producción de gas ciudad.
Aplicaciones del carbón
La diversidad y abundancia de las reservas del carbón a nivel mundial, significan que
el carbón puede afrontar el desafío estratégico con energía segura. Se pronostica que una
vez las reservas económicas de petróleo y gas se hayan agotado, habrá todavía muchas
reservas de carbón ampliamente disponibles para satisfacer las necesidades de energía
del mundo. Entre las aplicaciones del carbón se encuentra la fabricación de carbón de
coque, obtención de productos industriales (gas ciudad, grafito casi puro, brea o
alquitrán) y producción de electricidad en centrales térmicas clásicas.
Fabricación de acero en los altos hornos.
Obtención de productos de uso industrial.
- Gas ciudad. Se utilizaba como combustible gaseoso en sustitución del butano
en la mayoría de viviendas de las grandes ciudades.
- Vapores amoniacales: de ellos se pueden obtener sulfato amónico, que se usa
como fertilizante.
- Grafito: carbono casi puro.
- Brea o alquitrán: de las que se obtienen aceites y la pez.
Producción de electricidad en las centrales térmicas clásicas. Debido a la quema
de carbón contamina tanto el medio ambiente, se han implantado nuevas
tecnologías: combustión en lecho fundido y gasificación del carbón. La gasificación
del carbón consiste en inyectar oxígeno o aire, junto a vapor de agua, a una masa
de carbón. Con ello se genera la emisión de un gas que, posteriormente, se
quema.
Impacto medioambiental
La humedad de todos los tipos de carbón oscila entre el 3 y 40% y el contenido de
sustancias volátiles varía del 8 al 50%. Como principales impurezas encontramos el
azufre (S) y el nitrógeno (N).
En la combustión del carbón se liberan a la atmósfera diversos agentes
contaminantes, como el dióxido de azufre (SO2), diversos óxidos de nitrógeno (NO y
NO2) y monóxido de carbono y dióxido de carbono (CO y CO2), culpables del cambio
climático.
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Éstas y otras sustancias son las responsables del efecto invernadero y de la lluvia
ácida, que tan graves consecuencias tienen para el medio ambiente.
Influencia sobre el suelo (destrucción del manto fértil del suelo y de gran parte de los
bosques)
Influencia sobre el agua (contaminación del agua de los ríos y lagos)
Influencia sobre la atmósfera (efecto invernadero, lluvia ácida, deterioro del
patrimonio arquitectónico).
En la actualidad, existen tecnologías capaces de eliminar la casi totalidad de estos
agentes contaminantes, entre ellas la del secuestro del CO2 emitido mediante bombeo a
formaciones geológicas y la aplicación de filtrado de los gases citados.
6.2. PETRÓLEO. PROCEDENCIA, PRODUCTOS QUE SE OBTIENEN POR LA
DESTILACIÓN FRACCIONADA, APLICACIONES, IMPACTO AMBIENTAL DE SU USO.
Al igual que el carbón, el petróleo es un producto de origen fósil, formado por una
mezcla heterogénea de compuestos orgánicos, principalmente hidrocarburos insolubles
en agua. Es de consistencia viscosa, más ligero que el agua, de color negro o pardo muy
oscuro y olor penetrante.
También es conocido como petróleo crudo o simplemente crudo.
Procedencia
Su formación es debida a la acumulación de
partículas por la descomposición de organismos vivos,
animales y vegetales, que vivían en mares, lagunas,
etc., y que fueron cubiertos por sedimentos,
produciendo una degradación que en principio fue por
bacterias aerobias y luego anaerobias. Esto dio lugar a
posteriores transformaciones químicas causadas por
las altas temperaturas.
El proceso de formación tarda cientos de miles de
años y lo podemos encontrar en el subsuelo, en
bóvedas formadas bajo capas impermeables que
impiden que salga a la superficie. Al petróleo siempre
le acompaña un yacimiento de gas natural.
El crudo suele encontrase introducido en roca porosa y exteriormente rodeado por:
Parte superior: gas natural y otros hidrocarburos.
Parte inferior: agua salada.
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Laterales: roca impermeable.
Todo este conjunto está en el interior de una roca impermeable (arcilla).
Si el tubo perforador llega a la bolsa de gas y se detiene, sin llegar a la capa de
petróleo, subirá un corro violento de gas. Si, por el contrario, el extremo del tubo penetra
en el petróleo, éste ascenderá empujado por el gas y el agua comprimida.
A medida que sale el petróleo también va disminuyendo la presión, con lo que el
petróleo deja de salir. Cuando esto ocurre, la solución es introducir una bomba de
extracción; pero cuando ni siquiera con esto se consigue elevar el petróleo, entonces se
inyecta gas o agua, a gran presión, en el interior del pozo.
El refinado del petróleo crudo. Aplicaciones
El crudo extraído del pozo no tiene aplicación industrial y es necesario someterlo a un
proceso de destilación fraccionada continua, llamada refino. Este método consiste en
un calentamiento del petróleo crudo a 360 ºC, donde se produce una primera destilación
(topping; el petróleo se transforma en gas), y a
continuación, el petróleo pasa a la torre de fragmentación,
donde en los pasillos se separan los diferentes productos
según su densidad.
Por la parte superior se extraen gases combustibles
como el metano, propano y butano, además de obtenerse
hidrógeno para usos industriales. En la parte central se
obtienen combustibles líquidos como las gasolinas para
vehículos, supercarburantes, disolventes, naftas y
queroseno (combustible empleado en algunos motores de
reacción) y gas-oil para motores de compresión. Por la
parte inferior se extraen productos pesados como fuel-oil
para motores pesados, quemadores de centrales térmicas
y calefacción, aceites para lubricación, parafinas, betunes
y asfaltos para las carreteras y como último residuo, se obtiene un coque para la industria
siderúrgica.
Transporte del petróleo
Debido a la desigual distribución de los yacimientos petrolíferos, que no coinciden con
los lugares de utilización final, se hace necesario el transporte, tanto del petróleo como de
sus derivados (gas natural y otros), a grandes distancias.
Los métodos de transporte utilizados pueden clasificarse de la siguiente manera:
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Canalización: oleoductos. Los oleoductos se construyen soldando tubos de acero
de unos 80 cm de diámetro, que se colocan en la superficie o se entierran en
pequeñas zanjas. Los oleoductos parten de los yacimientos o de las refinerías y
finalizan en los puertos de embarque o en los grandes centros de consumo.
Buques para petróleo (petroleros. Los buques petroleros tienen su espacio de
carga dividido, por medio de tabiques transversales y longitudinales, en una serie
de tanques separados. En la actualidad se construyen superpetroleros del orden
de 500000 toneladas, que resultan muy económicos en grandes travesías.
Transporte por ferrocarril y carretera. Los centros de consumo situados en el
interior y donde no es rentable la instalación de un oleoducto se han de abastecer
con vagones o camiones cisterna. Los productos de venta al por menor salen al
mercado en envases, como barriles, bidones y latas.
Impacto ambiental de su uso
Como ocurre con el carbón, las combustiones de gasóleos, queroseno y gasolinas
libera a la atmósfera multitud de agentes contaminantes como los óxidos de carbono
(CO y CO2) y de nitrógeno (NO y NO2), hidrocarburos volátiles, vapor de agua y otros que
dependen de los aditivos que se añaden a los combustibles para mejorar su rendimiento.
Un impacto ambiental por consumir petróleo es el calentamiento global, ya que al
quemar combustibles fósiles se crea una capa en la estratosfera que no deja escapar
algunos rayos gamma del sol, esto provoca el calentamiento de los polos, y así como
los polos es pura agua dulce, hay un desequilibrio salino en el mar, y por el
calentamiento se evapora más agua y en conjunto con el desequilibrio salino se crean
huracanes más fuertes y permanentes y con mas continuidad que antes. También es
causante de la lluvia ácida.
Otro aspecto importante es evitar posibles accidente que dañen el medio ambiente en
su fase de transporte por mar, desde los lugares de extracción hasta los centros de
procesamiento y consumo, véase caso Prestige.
6.3. GASES COMBUSTIBLES. GAS NATURAL, GASES LICUADOS DEL PETRÓLEO,
GAS CIUDAD. PROCEDENCIA, APLICACIONES E IMPACTO AMBIENTAL.
Los gases combustibles más empleados son: el gas natural, los gases procedentes de
la destilación del petróleo (G.L.P.) como el propano y el butano y en mucha menor medida
el gas de hulla y el gas de carbón.
Gas natural
El gas natural es una fuente de energía no renovable formada por una mezcla de
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gases que se encuentra frecuentemente en yacimientos de petróleo, no asociado, disuelto
o asociado con el petróleo o en depósitos de carbón.
Origen
Es una mezcla compleja de hidrocarburos, fundamentalmente metano, propano y
etano, además de otras impurezas, que, al igual que el petróleo, se formo como
consecuencia de la acumulación de detritos orgánicos. Se encuentra encerrado en
trampas geológicas en el subsuelo, en formas de grandes bolsas o sobre el petróleo. La
explotación industrial del gas natural se efectúa cuando el yacimiento se encuentra en
bolsas, ya que en el procedente de los yacimientos del petróleo suele tener escaso
volumen y está más contaminado. En estos últimos, una vez extraído, se purifica con
objeto de eliminar el agua, los productos sulfurosos y el petróleo.
Procedencia
El descubrimiento del gas natural data de la antigüedad en el Medio Oriente. Hace
miles de años, se pudo comprobar que existían fugas de gas natural que prendían fuego
cuando se ascendían, dando lugar a las llamadas "fuentes ardientes". En Persia, Grecia o
India, se levantaron templos para prácticas religiosas alrededor de estas "llamas eternas".
Sin embargo, estas civilizaciones no reconocieron inmediatamente la importancia de
su descubrimiento. Fue en China, alrededor del año 900 antes de nuestra era, donde se
comprendió la importancia de este producto. Los chinos perforaron el primer pozo de gas
natural que se conoce en el año 211 antes de nuestra era.
Transporte del gas natural
Los principales problemas que plantea el gas natural se refieren al transporte, que se
realiza de dos formas:
Mediante gasoductos. Son tuberías por las que circula el gas a alta presión, hasta
los lugares de consumo, en los que se reduce la presión hasta el valor adecuado.
Mediante buques cisterna. En este caso, es necesario licuar primero el gas, lo que
se realiza en instalaciones situadas en el mismo puerto. De esta forma el gas
natural se transporta en forma líquida y, al llegar al puerto de destino, se
almacena, se regasifica y se distribuye por medio de gasoductos o tuberías de
baja presión.
Aplicaciones
El gas natural tiene diversas aplicaciones en la industria, el comercio, la generación
eléctrica o el sector residencial. Ofrece grandes ventajas en procesos industriales donde
se requiere de ambientes limpios, procesos controlados y combustibles de alta
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confiabilidad y eficiencia. Estas son algunas de las aplicaciones más comunes del gas
natural:
Generación de vapor, industria de alimentos, secado, cocción de productos
cerámicos, fundición de metales, tratamientos térmicos, temple y recocido de
metales, generación eléctrica, producción de petroquímicos, sistema de
calefacción, hornos de fusión, aire acondicionado, agua caliente, etc.
Impacto ambiental
El gas natural es el combustible fósil con menor impacto ambiental de todos los
utilizados, tanto en lo que se refiere a la extracción, elaboración y transporte, como a la
utilización.
Emite menor cantidad de gases contaminantes (CO2, NO2 y SO2) por unidad de
energía producida gracias a que su combustión es más completa y resulta más eficiente
con un menor exceso de aire.
Emite entre un 40 y un 50% menos ce CO2 que el carbón, y entre un 25 y un 30%
menos que el fuelóleo.
Dado que su contenido en azufre es inferior, la emisión de SO2 en su combustión
es 150 veces menos que la del gasóleo y entre 700 y 1500 veces menor que la del
carbón.
La emisión de metano (CH4) es un poco superior a la de los combustibles
derivados del petróleo, pero las moléculas de este gas tienen un tiempo de vida
más corto.
Además, el gas natural se caracteriza por la ausencia de impurezas y residuos, lo que
descarta la emisión de partículas sólidas, como hollines, humos, etc.
Gases licuados del petróleo (G.L.P.)
Los gases licuados del petróleo se obtienen de la destilación del petróleo, y los de
mayor demanda son el propano y el butano. Reciben este nombre porque se transportan
y almacenan a grandes presiones en estado líquido.
Gas ciudad
Se obtiene, mayoritariamente, en las coquerías al transformar el carbón de hulla en
coque metalúrgico. Hasta no hace mucho tiempo se ha empleado para fines domésticos
(calefacción, calentador y cocina). En la actualidad se emplea como combustible para la
obtención de carbón de coque.
Acetileno
Se obtiene al añadir agua al carburo de calcio (CaC2). En la actualidad es el
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combustible empleado normalmente en la soldadura oxiacetilénica: mezclado con
oxígeno, genera una llama de elevado poder calorífico capaz de fundir el hierro. Si se
mezcla con exceso de oxígeno, puede cortar hasta planchas de acero.
6.4. LA ENERGÍA NUCLEAR DE FISIÓN Y FUSIÓN. PROCEDENCIA, APLICACIONES
E IMPACTO AMBIENTAL.
La energía nuclear es la energía que se libera espontánea o artificialmente en las
reacciones nucleares. Sin embargo, este término engloba otro significado, el
aprovechamiento de dicha energía para otros fines como, por ejemplo, energía eléctrica,
térmica y mecánica a partir de reacciones nucleares, y su aplicación, bien sea con fines
pacíficos o bélicos. Existen dos tipos de reacciones nucleares que mediante diferentes
técnicas permiten la utilización de esta energía por parte del ser humano.
Fisión nuclear. Proceso que consiste en romper
un núcleo de un átomo enriquecido en plutonio o
uranio lanzando un neutrón a gran velocidad.
Cuando el núcleo del átomo se rompe, este se
divide en dos nuevos átomos y tres nuevos
neutrones, los cuales siguen rompiendo otros
átomos. Si no se controla esta reacción puede
desencadenar en una bomba atómica.
Fusión nuclear. Proceso que consiste en la unión
de dos átomos ligeros para crear un núcleo más
pesado liberando una gran cantidad de energía.
Actualmente la reacción de este tipo que libera
más energía es cuando un núcleo de deuterio y
otro de tritio, ambos isótopos del hidrógeno, se unen para crear un núcleo de Helio.
Este fenómeno es precisamente el responsable de la emisión de energía de las
estrellas. El proceso de fusión, que en principio es una lucha entre la repulsión
electrostática y la interacción nuclear fuerte es posible gracias al efecto túnel.
En ambos procesos se produce una disminución neta de masa que se transforma
directamente en energía, según la ecuación de Einstein:
E = m · c2
donde E = energía desprendida en J, m = masa desintegrada en kg y c = a la
velocidad de la luz (3 · 108 m/s).
Orígenes
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Fisión Nuclear: En plena segunda guerra mundial, los militares alemanes
descubrieron el potencial que estos fenómenos podrían suponer y comenzaron a
desarrollar una bomba basada en la fisión, la bomba nuclear. Albert Einstein, en 1939,
firmo una carta al presidente Franklin Delano de EE.UU., en la que prevenía sobre
este hecho.
Fusión Nuclear: Hasta el principio del siglo XX no se entendió la forma en que se
generaba energía en el interior de la estrellas para contrarrestar el colapso gravitatorio
de estas. No existía química con la potencia suficiente y la fisión tampoco era capaz.
En 1938 Hans Bethe logró explicarlo mediante reacciones de fusión, con el ciclo CNO,
para estrellas muy pesadas. Posteriormente se descubrió el ciclo protón-protón para
estrellas de menor masa, como el Sol.
Aplicaciones
Medicina nuclear: para el tratamiento de enfermedades tales como el cáncer.
Agricultura: para la conservación de alimentos, sustituyendo a los insecticidas.
Medio ambiente: se usa para el estudio de agentes contaminantes.
Armamento nuclear: bomba atómica, bomba de hidrogeno.
Impacto Ambiental
Los materiales radiactivos como el uranio emiten una serie de radiaciones que
pueden resultar perjudiciales para el ser humano y los demás seres vivos. Entre ellas,
destacan las radiaciones alfa (), las beta (), las gamma (), los rayos X y los neutrones.
Una alta dosis de radiación puede conducir a la muerte en cuestión de días o semanas, y
se sabe ahora que las dosis bajas de radiación son mucho más dañinas para la salud de
lo que se pensaba anteriormente. La exposición prolongada a la llamada radiación de bajo
nivel puede causar problemas graves y perdurables a la salud humana, tanto para las
personas expuestas como para su descendencia.
En resumen, el mayor problema que presenta la utilización de la energía nuclear es el
del tratamiento, manejo, almacenamiento de los residuos radiactivos, especialmente los
de alta radiactividad.
7. FUENTES DE ENERGÍAS RENOVABLES.
Se denomina energía renovable a la energía que se obtiene de fuentes naturales
virtualmente inagotables, una por la inmensa cantidad de energía que contienen, y otras
porque son capaces de regenerarse por medios naturales
17
7.1. ENERGÍA HIDRÁULICA. PROCEDENCIA E IMPACTO AMBIENTAL.
Energía hidráulica. Aquella que se obtiene del aprovechamiento de las energías
cinética y potencial de la corriente de ríos, saltos de agua o mareas. Es un tipo de energía
verde cuando su impacto ambiental es mínimo y usa la fuerza hídrica sin represarla, en
caso contrario es considerada sólo una forma de energía renovable. Se puede
transformar a muy diferentes escalas, existiendo desde hace siglos pequeñas
explotaciones en las que la corriente de un río mueve un rotor de palas y genera un
movimiento aplicado, por ejemplo, en molinos rurales. Sin embargo, la utilización más
significativa la constituyen las centrales hidroeléctricas de represas, aunque estas últimas
no son consideradas formas de energía verde por el alto impacto ambiental que producen.
Procedencia
El origen de la energía hidráulica está en el ciclo hidrológico de las lluvias y, por tanto,
en la evaporación solar y la climatología, que remontan grandes cantidades de aguas a
zonas elevadas de los continentes alimentando los ríos. Este proceso está originado, de
manera primaria, por la radiación solar que recibe la Tierra.
Impacto ambiental
La creación de presas causa cambios medioambientales y sociales irreversibles (se
anegan grandes extensiones fértiles de terreno, incluso pueblos enteros y se trastoca la
fauna y flora autóctona), aunque sus defensores sostienen que se puede reducir su
impacto a niveles aceptables.
7.2. ENERGÍA SOLAR TÉRMICA Y FOTOVOLTAICA. PROCEDENCIA E IMPACTO
AMBIENTAL.
Energía Solar. La energía solar es una fuente de vida y origen de la mayoría de las
demás forma de energía en la Tierra. Cada año la radiación solar aporta a la Tierra la
energía equivalente a varios miles de veces la cantidad de energía que consume la
humanidad. Recogiendo de forma adecuada la radiación solar, esta puede transformarse
en otras formas de energía como energía térmica o energía eléctrica utilizando paneles
solares.
La energía solar térmica consiste en el aprovechamiento de la energía del sol para
producir calor que puede aprovecharse para cocinar alimentos o para la producción de
agua caliente destinada al consumo de agua doméstico, ya sea agua caliente
sanitaria, calefacción, o para producción de energía mecánica y a partir de ella, de
energía eléctrica.
Se denomina energía solar fotovoltaica a una forma de obtención de energía
18
eléctrica a través de paneles fotovoltaicos. El mayor problema de estas centrales es
su baja producción con respecto a una central térmica. Además existe un
condicionante geográfico, pues sólo son rentables en regiones soleadas durante la
mayor parte del año
Procedencia
El origen de la energía que el sol produce e irradia está en las reacciones nucleares
que interrumpidamente se realizan en el interior. En ellas los átomos de hidrógeno, que es
el elemento más abundante en el sol, se combinan entre sí para formar átomos de helio y,
al mismo tiempo, una pequeña parte de la masa de dichos átomos se convierte en
energía.
Impacto ambiental
Los efectos de la energía solar fotovoltaica sobre los principales factores ambientales
(clima, suelo, agua, flora y fauna) son nulos. A nivel social, el suelo necesario para instalar
un sistema fotovoltaico de dimensión media, no representa una cantidad significativa
como para producir un grave impacto. Además, en gran parte de los casos, se pueden
integrar en los tejados de las viviendas.
7.3. ENERGÍA EÓLICA. PROCEDENCIA E IMPACTO AMBIENTAL.
Energía eólica es la energía obtenida de la fuerza del viento, es decir, mediante la
utilización de la energía cinética generada por las corrientes de aire. La energía eólica ha
sido aprovechada desde la antigüedad para mover los barcos impulsados por velas o
hacer funcionar la maquinaria de molinos al mover sus aspas. Es un tipo de energía
verde.
Procedencia
La energía eólica tiene una procedencia directa de la energía solar. Esta producida
por el calentamiento diferencial del Sol en los mares, vallas y montañas lo que provoca
diferentes niveles de calentamiento y presión en la atmósfera. El desplazamiento del aire
tiende a eliminar estos desequilibrios de presión, produciendo así el viento.
Impacto ambiental
El impacto ambiental de este sistema de obtención de energía es bajo. Es sobre todo
estético, porque deforman el paisaje, aunque también hay que considerar la muerte de
aves por choque con las aspas de los molinos.
7.4. ENERGÍA GEOTÉRMICA. PROCEDENCIA E IMPACTO AMBIENTAL.
Energía geotérmica. Es aquella energía que puede ser obtenida por el hombre
mediante el aprovechamiento del calor del interior de la Tierra. Parte del calor interno de
19
la Tierra (5.000 ºC) llega a la corteza terrestre. En algunas zonas del planeta, cerca de la
superficie, las aguas subterráneas pueden alcanzar temperaturas de ebullición, y por
tanto, servir como fuente de calor o para accionar turbinas y transformarla en electricidad.
Procedencia
La energía geotérmica es la energía que aprovecha el calor almacenado en el interior
de la Tierra, y cuyo origen se debe principalmente al vulcanismo y a la radiactividad de las
rocas. En algunos lugares (Islandia o Nueva Zelanda), el agua aprisionada bajo tierra se
encuentra caliente, a unos 250 º C, como consecuencia de la actividad interior, y sale a la
superficie por presión en forma de geiser.
Impacto medioambiental
La energía geotérmica presenta algunas ventajas: es limpia, ya que no produce
emisiones de CO2 ni de ningún otro gas; el flujo de producción de energía es constante a
lo largo del año; y afecta a un espacio menor de terreno para las instalaciones que el
necesario para otro tipo de centrales.
Pero también tiene inconvenientes: produce un impacto visual significativo sobre el
terreno y puede contaminar las capas freáticas de las aguas subterráneas de los
alrededores con sólidos disueltos, metales pesados, etc.
7.5. ENERGÍA MAREOMOTRIZ. PROCEDENCIA E IMPACTO AMBIENTAL.
Energía mareomotriz. Aprovecha la energía potencial que se deriva de la diferencia
de nivel del agua del mar provocado por las mareas. Esta diferencia de alturas puede
aprovecharse en lugares estratégicos como golfos, bahías o estuarios utilizando turbinas
hidráulicas que se interponen en el movimiento natural de las aguas, junto con un
mecanismos de canalización y depósito, para obtener movimiento en un eje. Mediante su
acoplamiento a un alternador se puede utilizar el sistema para la generación de
electricidad, transformando así la energía mareomotriz en energía eléctrica, una forma
energética más útil y aprovechable.
Procedencia
Se debe a las fuerzas gravitatorias entre la Luna, la Tierra y el Sol, que originan las
mareas, es decir, la diferencia de altura media de los mares según la posición relativa
entre estos tres astros.
Impacto medioambiental
La energía mareomotriz es limpia, renovable, no genera gases contaminantes, es
silenciosa y está disponible en cualquier clima y época del año.
Los principales inconvenientes para el aprovechamiento de este tipo de energía es
20
que sus emplazamientos se encuentran en zonas alejadas de los centros de consumo,
suelen tener un alto coste económico de instalación y un bajo rendimiento.
El impacto medioambiental se reduce al visual y estructural sobre el paisaje costero y
al efecto negativo sobre la fauna y la flora del ecosistema local.
El aprovechamiento de este tipo de energía impide la libre circulación de los peces a
ambos lados de la presa
7.6. ENERGÍA DE LA BIOMASA Y RSU. PROCEDENCIA E IMPACTO AMBIENTAL.
Se denomina biomasa a toda materia orgánica de origen vegetal o animal procedente
del aprovechamiento de los residuos forestales o residuos agrícolas. También son
considerados biomasa los cultivos que dedican su producción exclusivamente a la
generación de combustible y los gases procedentes de la descomposición de materia
orgánica.
Procedencia
La biomasa, a efectos energéticos, se encuentra fundamentalmente en los bosques,
los cultivos específicos para este fin, en los residuos agrícolas y forestales y en algunos
residuos urbanos e industriales, como excrementos, orines y restos de alimentos.
La biomasa se puede aprovechar directamente mediante la combustión, o a través de
la transformación en otros productos energéticos que se realiza en instalaciones
industriales.
El tratamiento de la biomasa supone someterla a diferentes procesos, que pueden
clasificarse en físicos, bioquímicos y térmicos.
Estos
procesos
físicos
consisten en
triturar y
compactar
los residuos
para obtener
briquetas de
combustible o en el secado de los residuos, necesario para su posterior
tratamiento térmico.
Los procesos bioquímicos básicos son la fermentación aerobia (en presencia de
oxígeno), que permite la obtención de alcoholes (etanol), y la fermentación
21
anaerobia (en ausencia de oxígeno), que produce metano, componente básico del
biogás.
Los procesos térmicos incluyen la combustión directa de residuos forestales, la
pirolisis o destilación seca, mediante la que se obtiene gas de gasógeno, y la
gasificación por oxidación parcial o hidrogenación, que permite la obtención de
hidrocarburos.
Mediante estos procesos se obtienen los denominados biocombustibles, que pueden
ser sólidos, líquidos y gaseosos.
Impacto medioambiental
La combustión de biomasa y de RSU es menos contaminante que la de los
combustibles fósiles porque apenas genera óxidos de azufre y nitrógeno, de modo que su
impacto sobre la lluvia ácida es mínimo.
Por otra parte el desprendimiento de CO2 queda neutralizado porque la cantidad
desprendida es aproximadamente la misma que fija la masa vegetal durante la
fotosíntesis. Así pues, su utilización tampoco incrementa la concentración de gases de
efecto invernadero. Además contribuye a la reducción de volumen de residuos y al
aprovechamiento de la energía contenida en éstos en forma de calor.
No obstante, también tiene algunos inconvenientes entre los que destacan: el
elevado coste económico y energético de la transformación de la biomasa y los RSU en
combustible útil; la dedicación de amplios terrenos a los cultivos energéticos, debido a su
baja capacidad calorífica, lo que entra en conflicto con otros usos agrícolas.
8. DESCRIPCIÓN DE CENTRALES ELÉCTRICAS (HIDRÁULICAS, TÉRMICAS
CONVENCIONALES Y DE CICLO COMBINADO, NUCLEAR, SOLARES, EÓLICAS,
GEOTÉRMICAS Y MAREROMOTRICES).
Central hidroeléctrica
Una central hidroeléctrica es una instalación que transforma la energía cinética del
agua en movimiento en energía eléctrica por medio de turbinas y alternadores. Las
centrales hidráulicas se pueden clasificar según su caudal o su potencia. Un ejemplo de
ambas serían las centrales de agua embalsada y las centrales de bombeo.
Las centrales de agua embalsada se basan en el aprovechamiento de la energía
del agua de los ríos. Para ello, generalmente se eleva el nivel del agua mediante una
presa, con lo que se adquiere energía potencial.
22
El agua embalsada se hace bajar por una tubería forzada, convirtiendo la energía
potencial en energía cinética. Cuando el agua llega a la turbina, mueve sus álabes
generando un
movimiento de
rotación en el eje
de ésta. Cuando el
movimiento se
transmite al
alternador, se
genera energía
eléctrica en sus
bornes.
Posteriormente
será elevada a través de un transformador y distribuida mediante tendidos eléctricos.
Con las centrales de bombeo se logra un
mayor aprovechamiento de la energía del agua.
Durante las horas en las que la demanda de
energía eléctrica es mayor, la central de
bombeo funciona como cualquier central
hidroeléctrica convencional. El agua pasa de un
embalse superior a uno inferior donde queda
almacenada, produciéndose electricidad.
Cuando el consumo de energía es menor (horas nocturnas o fines de semana), se
aprovecha la energía sobrante para bombear el agua desde el embalse inferior al
superior. De esta forma se logra el máximo aprovechamiento.
Central térmica
Una central térmica es una instalación compleja donde la energía térmica, producida
por la combustión de algún combustible fósil, se emplea para calentar agua hasta
convertirla en vapor, que se canaliza hasta unas turbinas. La energía cinética del vapor es
capaz de mover los alabes de las turbinas y este movimiento se comunica a un
alternador, en el que se genera la energía eléctrica. Este tipo de generación eléctrica es
contaminante pues libera dióxido de carbono y otros contaminantes.
23
Con el nombre de central térmica convencional, se designa a aquellas que queman
carbón o fuel-oil, mientras que las que emplean gas se las denomina centrales térmicas
de gas.
En las centrales
de carbón, éste es
convertido
previamente en polvo
fino e inyectado en la
caldera en el seno
de una corriente de
aire precalentado. En
las alimentadas por
fuel, el combustible previamente calentado, es quemado directamente en los quemadores,
que llevan un regulador de entrada de aire.
En cualquiera de los dos tipos de central, la batería de turbinas suele estar formada
por tres grupos. Una primera turbina de alta presión, con muchos álabes de pequeña
dimensión, recibe el vapor de la caldera, en la que parte del vapor pasa al condensador
de alta y el exceso del vapor es reconducido a la caldera hacia un recalentador
secundario que hace funcionar una segunda turbina de media presión. Esta turbina
tiene menos álabes que la de alta, pero son de mayor tamaño. El exceso de vapor de la
turbina de media, parte va al condensador de media y otra parte va a alimentar una
turbina de baja presión, de menos álabes y más grandes que la de media presión.
Los condensadores están refrigerados por un circuito de agua que puede ser de ciclo
cerrado o ciclo abierto. Es este último, el agua caliente procedente de los condensadores
se vierte en grandes estanques para refrigerarla y a continuación se vierte a algún río o
mar próximos a la central. Cuando el circuito de refrigeración es de ciclo cerrado, el agua
caliente de los condensadores es elevada has la torre de refrigeración, por donde se
deja caer en forma de lluvia en el seno de una corriente de aire ascendente, lo que
provoca su rápido enfriamiento. La lluvia de la torre es recogida en un gran depósito en la
base y es bombeada al circuito de refrigeración.
Las centrales térmicas de gas son de menores dimensiones y potencia que las
convencionales. El conjunto está constituido por un compresor rotatorio para crear una
corriente de aire comprimido. Este aire comprimido pasa a la cámara de combustión,
donde es inyectado el gas natural, que al quemarse, se expansiona y produce un gran
24
aumento de presión en esta cámara. Por el escape de la cámara, el gas atraviesa la
turbina que va acoplada al eje del generador.
Actualmente, se están comenzando a utilizar centrales térmicas que optimizan el
rendimiento de la instalación y reducen la emisión de gases contaminantes.
Éstas suelen ser de dos tipos: gasificación del carbón con ciclo combinado integrado
y las que emplean cogeneración.
Las centrales de
gasificación del carbón y ciclo
combinado son centrales que
aprovechan de forma conjunta la
presión del propio gas combustible
y la presión del vapor generado
para accionar unas turbinas (de
vapor y de gas, respectivamente).
Utilizan generalmente carbón,
que primero es convertido en gas mediante la inyección de oxígeno y después depurado.
Este gas es conducido hasta la cámara de combustión de una turbina de gas, donde se
mezcla con el aire que entra desde un compresor para producir su combustión y posterior
expansión. El gas quemado en su expansión mueve dicha turbina que a su vez mueve un
generador eléctrico. A continuación, se aprovecha el calor residual en una caldera de
recuperación para producir vapor que alimente una turbina de vapor, volviendo a generar
electricidad como una central térmica convencional.
La cogeneración consiste en la producción conjunta, en una o varias etapas, de
energía mecánica (que puede ser transformada en energía eléctrica si se coloca un
generador) y energía térmica. Su finalidad es recuperar energía útil que se perdía. Este
sistema es menos contaminante, ya que se produce más trabajo para una menor emisión
de gases. Precisa de un diseño más complejo que el de una instalación convencional,
pero proporciona beneficio a corto y medio plazo.
Central nuclear
Una central nuclear es una instalación industrial empleada para la generación de
energía eléctrica a partir de energía nuclear, que se caracteriza por el empleo de
materiales fisionables que mediante reacciones nucleares proporcionan calor.
Este calor es empleado por un ciclo termodinámico convencional para mover un
alternador y producir energía eléctrica.
25
Una central nuclear funciona de forma similar a una central térmica, aunque en
este tipo de centrales la energía calorífica en vez de provenir de la combustión de carbón,
petróleo o gas, proviene de la fisión de átomos de uranio que tiene lugar en el reactor. El
reactor sustituye
a la caldera en
una central
eléctrica
convencional.
En él se lleva a
cabo una
reacción de
fisión nuclear
controlada.
Estas
reacciones
nucleares
producen calor que calienta el agua que está en el reactor (circuito primario). Esta agua
es conducida hasta un generador de vapor, donde a través de un intercambiador de calor,
calienta el agua de otro circuito (circuito secundario) que posteriormente se transforma
en vapor. Los pasos siguientes son los mismos que para una central térmica.
Central solar
Las centrales solares son instalaciones destinada a aprovechar la radicación del Sol
para generar energía eléctrica o aprovechar su efecto calorífico.
Las principales aplicaciones de los sistemas de aprovechamiento solar de baja y
media temperatura se dan en el ámbito doméstico o industrial (colectores solares).
Los colectores planos solares están formados por una
caja recubierta de material aislante cuya parte superior es de
vidrio transparente. En su interior se sitúa una placa
absorbente de color negro que contiene unas conducciones,
también pintadas de negro, por las cuales circula el fluido
(agua o aire) encargado de absorber el calor. El
funcionamiento de este dispositivo se basa en el fenómeno
conocido efecto invernadero: el cristal permite el paso de la radiación solar, pero impide
que la radiación emitida por la placa caliente escape hacia fuera.
26
Con este tipo de colectores se consigue elevar la temperatura del fluido hasta
temperaturas de 60 a 100 ºC.
Los sistemas basados en alta temperatura, se utilizan para la producción de
electricidad (central solar de torre central, central solar de colectores distribuidos y central
solar fotovoltaica).
Estas instalaciones utilizan temperaturas superiores a los 300 ºC.
En la central solar de torre central funciona de forma similar a una central térmica,
aunque aquí el calor necesario para calentar el fluido de la caldera es obtenido de un
conjunto de espejos orientados llamados helióstatos. Éstos son orientados de forma
automática para seguir al sol y de esta forma concentrar la radiación en el punto más alto
de una torre.
Las
radiaciones
recibidas en el
colector de la
torre que actúa
como una
caldera, calientan
el fluido del
circuito primario,
que a su vez
transmite su calor al agua de un circuito secundario gracias a un intercambiador. El vapor
a presión generado hace girar el grupo de turbinas acoplado al generador de corriente
eléctrica.
En la central solar de colectores distribuidos, el fluido portador (normalmente
aceites minerales) es calentado directamente mediante unos
colectores de concentración (espejos parabólicos) antes de
proceder al intercambio térmico. Una vez alcanzada la
temperatura necesaria, se produce vapor de agua en los
intercambiadores de calor como en las centrales térmicas.
La temperatura que se obtiene no es muy elevada y las pérdidas térmicas son
importantes debido al gran recorrido que tiene que realizar el fluido.
27
En la central solar fotovoltaica se transforma directamente la luz solar en energía
eléctrica mediante las células fotovoltaicas. Estas células aprovechan la propiedad que
tienen algunos
cristales (de silicio
y otros elementos)
de producir
electricidad
cuando son
incididos con un
haz de luz.
Cuando la luz, en
forma de flujo de
fotones, incide
sobre ella, se originan una serie de fenómenos que generan una fuerza electromotriz
capaz de producir una corriente eléctrica entre los dos electrodos conectados a cada capa
de la célula.
Las células se conectan entre sí en serie o en paralelo, con el fin de conseguir la
tensión e intensidad más adecuadas. El conjunto de varias células da lugar a una placa
fotovoltaica que produce en sus bornes una tensión de 12 V de cc.
La energía eléctrica generada por los paneles puede consumirse de inmediato o ser
almacenada en acumuladores para su posterior utilización.
Los rendimientos de este tipo de instalaciones oscilan entre el 15 y el 25 %, en
función de la densidad de radiación que reciben.
Centrales eólicas
Las centrales eólicas se basan en la utilización del viento como energía primaria para
la producción de energía eléctrica. La energía eólica ha sido un recurso empleado desde
tiempos remotos en diferentes partes del mundo y para diversos propósitos.
En estas centrales, la energía mecánica del viento mueve las aspas de un
aerogenerador. En el interior o góndola, un sistema de transmisión multiplica las vueltas
del eje, cuyo movimiento se transmite a un generador de energía eléctrica. A su vez, ésta
dispone de un microprocesador que regula el ángulo de inclinación de las palas y la
posición del rotor respecto al viento.
Para conectarse a la red eléctrica convencional, la electricidad generada debe tener
una frecuencia de 50 Hz. Esto obliga al generador a dar un número de vueltas
28
determinado y
fijo. Para controlar
esa velocidad
existen sistemas
que permiten
regular, dentro de
unos límites, las
revoluciones de
las palas,
independienteme
nte del viento.
La energía
eléctrica
producida por
cada generador, se transporta por cables conductores a un centro de control. En éste, los
transformadores elevan su tensión y se envía a la red general a través de líneas de
transporte de alta tensión.
Central geotérmica
Una central geotérmica es una
instalación donde se obtiene energía
eléctrica a partir del calor interno de la
Tierra. Estas centrales son muy
similares a las térmicas, la única
diferencia es que no queman nada para
calentar el agua.
La temperatura de la tierra aumenta
de a 15 ºC de media por cada 100 m de
profundidad, dependiendo de la zona de
la corteza terrestre. Para que exista un yacimiento geotérmico deben darse
determinadas condiciones geológicas: una fuente de calor profunda, una capa de terreno
poroso y permeable capaz de retener el agua, y otra capa de rocas impermeables que
impida la fuga del agua. Este calor se puede encontrar a profundidades que oscilan entre
100 y 4500 m.
Los yacimientos geotérmicos se clasifican según la temperatura del foco emisor en
29
yacimientos de baja y media energía, y yacimientos de alta energía.
Los yacimientos de baja y media energía (temperatura próxima a los 100 ºC) se
utilizan para calefacción, invernaderos, balnearios, etc.
Los de alta energía (temperaturas del foco de hasta 1250 ºC) se utilizan para
producción de electricidad.
Mediante perforaciones en el terreno el vapor de agua a altas temperaturas se
canaliza desde el interior de la Tierra hasta la central permitiendo la evaporación del agua
presente en las numerosas tuberías que se encuentran alrededor de la caldera. El vapor
de agua adquiere mucha presión, por lo cual se utiliza para mover una turbina conectada
al generador. Al girar la turbina se produce la electricidad, que viaja del generador hasta
los transformadores, que elevan la tensión para transportar esta energía por la red
eléctrica hasta los centros de consumo.
Por otro lado, el sistema de refrigeración permite empezar de nuevo el ciclo, es decir,
condensa el vapor de agua para que pueda volver a ser utilizado. El agua es condensada
en el condensador que se mantiene a baja temperatura gracias a un sistema cerrado de
tuberías que lo refrigeran. Las tuberías contienen agua fría que reduce la temperatura del
agua usada para mover la turbina, permitiendo su condensación. Cuando el agua del
sistema de refrigeración se calienta, se dirige hacia las torres de refrigeración, donde se
vuelve a enfriar en contacto con aire frío. Y así se realiza continuamente el mismo ciclo.
La energía geotérmica es difusa y de difícil aprovechamiento debido a factores
geológicos, tecnológicos y geográficos. Además una central geotérmica tiene un
rendimiento mucho más bajo que una central térmica.
Central mareomotriz
La central mareomotriz aprovecha las variaciones de energía potencial gravitatoria
del agua que producen las mareas, para producir energía eléctrica.
La instalación de una central mareomotriz sólo es posible en lugares con una
diferencia de 5 metros entre la marea alta (pleamar) y la baja (bajamar). En algunos
lugares esta diferencia de niveles puede variar entre 2 y 15 metros.
El lugar ideal para el emplazamiento de una central mareomotriz es un estuario, una
bahía o una ría donde el agua de mar penetre. La bocana debe ser estrecha para
construir un dique.
El dique va provisto de compuertas que dejan pasar el agua y luego es cerrado
creando un depósito estanco. En cada una de estas compuertas se instala un grupo
turbina-alternador reversible.
30
Cuando la
marea sube, las
compuertas del
dique se abren y el
agua ingresa en el
embalse,
obteniéndose
energía eléctrica. Al
llegar el nivel de
agua del embalse a su punto máximo se cierran las compuertas. Durante la bajamar el
nivel del mar desciende. Cuando la diferencia entre el nivel del agua del embalse y del
mar alcanza su máxima amplitud, se abren las compuertas para que agua pase a través
de ellas, generándose de nuevo electricidad.
Las palas de la hélice de las turbinas pueden variar de posición y dejar paso libre al
agua en caso de necesidad.
Uno de los grandes inconvenientes es que sólo pueden generar energía en los
momentos de pleamar y bajamar, produciendo unos tiempos muertos en los cambios de
marea.
31
AMPLIACIÓN DE CONTENIDOS
ENERGÍA NUCLEAR
Centrales nucleares de fisión
En las centrales nucleares los combustibles empleados son isótopos del uranio: uranio
235, uranio 233 y plutonio 239.
El edificio de contención o del reactor, formado por gruesos muros de hormigón, es el
recinto donde se ubican las instalaciones en las que se efectúa la reacción nuclear,
además del circuito de presión primario y el intercambiador de calor con el circuito
secundario. Dentro del edificio del reactor se encuentra la vasija, donde se introducen las
barras de combustible, y en su interior se produce la reacción nuclear. La vasija es un
gran depósito de acero, recubierto en su interior de plomo para absorber las radiaciones
que se producen como consecuencia de la fisión nuclear. El combustible, en forma de
pastillas cilíndricas, se introduce en el interior dentro de unos tubos de acero o aleaciones
de berilio o circonio. La temperatura de las pastillas de un combustible nuclear como el
óxido de uranio (UO2), llega a alcanzar valores superiores a los 2000 ºC y este calor es el
que se transfiere a un primer circuito de vapor. El circuito primario de vapor calienta a
unos 350 ºC un segundo circuito dentro de un intercambiador de calor, siendo el vapor de
este segundo circuito el que acciona el grupo de turbinas. El ciclo de vapor se efectúa de
forma similar al de las centrales térmicas convencionales.
La sala de control permite el seguimiento de todo el proceso. También forman parte de
la central el almacén de combustible nuevo y el de combustible gastado, donde el material
ya utilizado va perdiendo poco a poco su actividad.
Existen diversos tipos de reactores nucleares, entre los que destacan los de agua a
presión (PWR) y los de agua a ebullición (BWR).
En los reactores de agua a presión (PWR) se emplea agua ligera a presión como
moderador y refrigerante. El refrigerante circula de modo que el agua no alcanza
nunca la ebullición, sino que extrae el calor del reactor y lo lleva a un intercambiador
de calor, donde se genera el vapor que alimenta al grupo turbina-alternador.
En los reactores de agua en ebullición (BWR), el refrigerante trabaja a menor
presión y alcanza la temperatura de ebullición al pasar por el núcleo del reactor. Parte
del líquido se transforma en vapor y éste se conduce directamente hacia el grupo
turbina-alternador sin necesidad de emplear el generador de vapor.
Materiales radiactivos
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Los materiales radiactivos como el uranio emiten una serie de radiaciones que
pueden resultar perjudiciales para el ser humano y los demás seres vivos.
Entre ellas destacan la radiaciones alfa (), las beta (), las gamma (), los rayos X y
los neutrones.
Las radiaciones alfa () están formadas por núcleos de Helio. Tienen carga
positiva y se desplazan a baja velocidad. Basta una simple hoja de papel para
eliminarlas.
Las radiaciones () están formadas por electrones. Tienen carga negativa y se
desplazan a mayor velocidad. Para detenerlas se emplea una delgada lámina de
metal (ej. Aluminio).
Los rayos X, son de carácter electromagnético y se desplazan a la velocidad de la
luz. Para absorberlas se necesita una capa de plomo.
Las radiaciones () son similares a los rayos X pero poseen mayor poder de
penetración, por lo que se necesita una capa de plomo de mayor espesor.
Los neutrones que se emiten en las radiaciones en cadena son las radiaciones
más penetrantes, por lo que se requiere un grueso muro de hormigón.
Reacción nuclear de fusión.
La fusión nuclear es una reacción nuclear en la que dos núcleos de átomos ligeros, en
general el hidrógeno y sus isótopos (deuterio y tritio), se unen para formar otro núcleo
más pesado, liberando una gran cantidad de energía.
Un ejemplo claro lo vemos a diario en la energía solar que tiene su origen en la fusión
de núcleos de hidrógeno, generándose helio y liberándose una gran cantidad de energía
que llega a la Tierra en forma de radiación electromagnética.
Para efectuar las reacciones de fusión nuclear, se deben cumplir los siguientes
requisitos:
Temperatura muy elevada para separar los electrones del núcleo y que éste se
aproxime a otro venciendo las fuerzas de repulsión electrostáticas. La masa
gaseosa compuesta por electrones libres y átomos altamente ionizados se
denomina PLASMA.
Confinamiento necesario para mantener el plasma a elevada temperatura durante
un tiempo mínimo.
Densidad del plasma suficiente para que los núcleos estén cerca unos de otros y
puedan lugar a reacciones de fusión.
Los confinamientos convencionales, como las paredes de una vasija, no son factibles
33
debido a las altas temperaturas del plasma. Por este motivo, se encuentran en desarrollo
dos métodos de confinamiento:
Fusión nuclear por confinamiento inercial (FCI): Consiste en crear un medio tan
denso que las partículas no tengan casi ninguna posibilidad de escapar sin chocar
entre sí. Una pequeña esfera compuesta por deuterio y tritio es impactada por un
haz de láser, provocándose su implosión. Así, se hace cientos de veces más
densa y explosiona bajo los efectos de la reacción de fusión nuclear.
Fusión nuclear por confinamiento magnético (FCM): Las partículas
eléctricamente cargadas del plasma son atrapadas en un espacio reducido por la
acción de un campo magnético. El dispositivo más desarrollado tiene forma
toroidal y se denomina TOKAMAK.
La fusión nuclear tiene lugar cuando dos núcleos de átomos ligeros se unen para
formar otro núcleo más pesado, liberando una gran cantidad de energía.
Los elementos atómicos empleados normalmente en las reacciones fusión nuclear son
el Hidrógeno y sus isótopos: el Deuterio (D, isótopo del hidrógeno) y el Tritio (T, isótopo
del litio).
Para que tengan lugar estas reacciones debe suministrarse a los núcleos la energía
cinética necesaria para que se aproximen los núcleos reaccionantes, venciendo así las
fuerzas de repulsión electrostáticas. Para ello se necesita calentar el gas hasta
temperaturas muy elevadas (107 ó 108M ºC), como las que se supone que tienen lugar en
el centro de las estrellas.
El gas sobrecalentado a tan elevadas temperaturas, de modo que los átomos estarán
altamente ionizados, recibe el nombre de plasma.
El requisito de cualquier reactor de fusión nuclear es confinar dicho plasma con la
temperatura y densidad lo bastante elevadas y durante el tiempo justo, a fin de permitir
que ocurran suficientes reacciones de fusión nuclear, evitando que escapen las partículas,
para obtener una ganancia neta de energía. Esta ganancia energética depende de que la
energía necesaria para calentar y confinar el plasma, sea menor que la energía liberada
por las reacciones de fusión nuclear. En principio, por cada miligramo de deuterio-tritio se
pueden obtener 335 MJ.
Ventajas de la fusión nuclear
La fusión nuclear es una energía limpia ya que no produce gases nocivos y genera
residuos nucleares de muy baja actividad.
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Un reactor de fusión nuclear es intrínsecamente seguro ya que la propia reacción
se detiene al cortar el suministro de combustible. No depende de ningún sistema
externo de seguridad susceptible de errores.
Es una fuente inagotable de energía ya que el Deuterio existe en abundancia en la
naturaleza y el Tritio es generado dentro del propio reactor a partir del Deuterio.
ENERGÍA HIDRÁULICA
Potencia de una central hidroeléctrica
El aprovechamiento energético de los saltos de agua se consigue gracias a la presión
generada por la diferencia de altura y al caudal disponible, según la expresión:
P = C · h
Donde P es la potencia en Kgm/s, C el caudal en l/s y h la altura en m.
Sin embargo, no toda la potencia es aprovechable, ya que existen pérdidas de cargas
debidas al transporte de agua y al rendimiento de turbinas y alternadores. Para corregir
este error, se introduce un coeficiente de rendimiento estimado, . Con lo que:
Pútil = · P
