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Tema 1 PRODUCCIÓN Y TRANSFORMACIÓN DE LAS DISTINTAS FORMAS DE ENERGÍA. Albert Prats Vallverdú

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C C E E P P

Tema 1 1

PRODUCCIÓN Y TRANSFORMACIÓN DE LAS DISTINTAS FORMAS DE ENERGÍA

1. INTRODUCCIÓN

2. PRODUCCIÓN Y TRANSFORMACIÓN DE LAS DISTINTAS FORMAS DE ENERGÍA 2.1 Producción de las distintas formas de energía

A. Clasificación de la energía B. Recursos energéticos

C. Producción de diferentes formas de energía 2.2 Transformación de las distintas formas de energía

A. Energía Térmica B. Energía Mecánica C. Energía Química D. Energía Eléctrica E. Energía Radiante F. Energía Sonora G. Energía Nuclear 3. GUIÓN-RESUMEN 4. BIBLIOGRAFÍA

Albert Prats Vallverdú

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1. INTRODUCCIÓN

El crecimiento económico de una sociedad está muy ligado al incremento de la producción industrial que, a su vez, lleva asociado un aumento de la producción de energía.

Los alimentos, el Sol, el fuego, el viento, el agua... se consideran los primeros recursos energéti- cos utilizados por el “hombre” para desarrollarse como seres vivos y sobrevivir. Más adelante, a nivel industrial, aparecieron los combustibles fósiles: con el carbón mineral llegó la máquina de vapor, dando lugar a la Primera Revolución Industrial; posteriormente, el petróleo fue el precursor de la llamada Segunda Revolución Industrial. Más recientemente la utilización industrial de la energía nuclear y el desarrollo de la energía eléctrica, han contribuido considerablemente al desarrollo industrial y tecnológico de nuestra sociedad.

Aún así, no sólo la energía es un factor determinante en los procesos industriales, sino que tam- bién contribuye enormemente en el bienestar personal y en proporcionarnos una vida mucho más cómoda y placentera..

Sin embargo, la producción y el consumo de energía lleva asociado una serie de inconvenientes que no deben pasarnos por alto y que hay que intentar minimizar:

- Consumo excesivo de recursos energéticos

- Impacto ambiental tanto de la obtención de los recursos energéticos, como de la producción y consumo de las distintas formas de energía.

Sólo nuestra propia concienciación del problema será lo que frene la tendencia actual y eso será posible gracias al consumo responsable de energía (ahorro energético) y a la utilización de energí- as limpias y renovables.

2. PRODUCCIÓN Y TRANSFORMACIÓN DE LAS DISTINTAS FORMAS DE ENERGÍA

2.1 Producción de las distintas formas de energía

La energía la definimos como “la capacidad de los cuerpos para producir trabajo (trabajo mecánico, emisión luminosa, emisión calorífica, etc.)”

La propiedad fundamental de la energía es: “en toda transformación energética, la energía total se mantiene constante. No puede haber creación o destrucción de energía, sino transferencia entre sistemas o transformación en otro tipo de energía”

A. Clasificación de la energía a. Manifestaciones energéticas

Multitud de elementos presentes en la naturaleza son capaces de producir energía (el Sol, el Agua, el Viento, el Mar, etc.). La energía producida por estos elementos se puede presentar de distintas formas:

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z Energía Mecánica

La energía mecánica es la energía relacionada con el movimiento de los cuerpos y/o par- tículas, así como las fuerzas que lo ocasionan. Se descompone en dos tipos:

Energía cinética (Ec) Æ es la energía asociada a la rapidez de movimiento de los cuer- pos/ partículas, es decir, la energía debida a la velocidad.

La energía cinética de un cuerpo depende de su masa y de la velocidad a la que se mueve y viene determinada por la siguiente fórmula:

Ec= ½ m · v2

Energía potencial (Ep)Æ es la energía asociada a la posición relativa de un cuerpo/ par- tícula respecto a un determinado campo (gravitatorio, magnético, eléctrico…).

La energía potencial gravitatoria es la más común y depende de la masa del cuerpo y de la distancia de éste con respecto al centro de la Tierra, aunque lo habitual es referenciar la posición del cuerpo con la altura a la que se encuentra (respecto al nivel del mar, la super- ficie terrestre…).

Ep= m · g · h

La energía mecánica de un cuerpo/ partícula es el resultado de sumar su energía cinéti- ca y su energía potencial (gravitatoria):

Em= Ec + Ep = ½ m · v2+ m · g · h

z Energía Interna o Térmica

La energía interna de un cuerpo es la energía asociada a la energía mecánica de sus moléculas, debida a su movimiento (Ec) y a la posición relativa entre ellas (Ep).

La temperatura de un cuerpo es una manifestación de su energía interna, de aquí que a la energía interna también se le denomina energía térmica.

z Energía química

La energía química es la energía asociada a las reacciones químicas, ya sea en forma de energía desprendida (reacciones exotérmicas) o de energía absorbida (reacciones endotér- micas).

z Energía eléctrica

La energía eléctrica es la energía asociada al corriente eléctrico, es decir, al flujo de car- gas eléctricas en movimiento dentro de un conductor, es decir, un corriente eléctrico.

z Energía nuclear

La energía nuclear es la energía asociada a la energía que mantiene unidas las partículas del núcleo atómico.

z Energía radiante

La energía radiante es la energía asociada a la radiación, es decir, a la transferencia de energía a través del espacio, en forma de ondas electromagnéticas.

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Uno de los tipos de energía radiante más importante es la energía luminosa, aunque también podemos destacar las ondas de radio, la radiación solar…

z Energía sonora

La energía sonora es la energía asociada al movimiento de vibración que se desplaza a través de las moléculas de un medio material.

b. Fuentes de energía

Una fuente de energía es todo yacimiento o fenómeno (natural o artificial) del cual podemos obtener energía.

Las fuentes de energía se pueden clasificar en función de distintos criterios:

En función de su naturaleza (nivel de transformación):

- Primarias Æ son las fuentes de energía que se encuentran en la naturaleza y se obtienen directamente de ella (leña, agua, carbón petróleo…).

- Secundarias Æ son las que se obtienen a partir de ciertas transformaciones de las fuentes de energía primarias (electricidad, gasolina…).

En función de sus reservas disponibles:

- Renovables Æ son aquellas cuyos recursos no se agotan en el tiempo, ya que se regeneran continuamente (sol, agua, viento…).

- No renovables Æ son aquellas que existen en una cantidad limitada en la naturaleza, por lo que se agotan cuando se utilizan (uranio, combustibles fósiles…).

B. Recursos energéticos

Los recursos energéticos son las sustancias y fenómenos que están presentes en cada una de las fuen- tes de energía, por lo tanto, también pueden clasificarse entre recursos renovables y no renovables.

a. Recursos no renovables

z Combustibles fósiles

Los combustibles fósiles son sustancias (sólidas, líquidas o gaseosas) que proceden de restos vegetales u otros organismos vivos sepultados a lo largo de millones de años y some- tidos a los efectos de elevadas presiones y temperaturas, debido a los sucesivos aconteci- mientos geológicos que han tenido lugar en ese período de tiempo.

Actualmente, aún son fundamentales en el desarrollo industrial, económico… de un país, aun teniendo en cuenta su peligro de agotamiento inminente (décadas) y su efecto con- taminante, tanto por su obtención como por su utilización y explotación.

Los combustibles fósiles más relevantes son: el carbón, el petróleo, el gas natural y los gases combustibles.

Carbón

Combustible sólido de origen vegetal, que se remonta al denominado período carbonífero (grandes extensiones de bosques y vegetación abun-

dante, hace millones de años, gracias a un clima cálido y húmedo).

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Tanto la composición como el contenido en carbono del carbón dependen del proceso de formación que haya sufrido, dando lugar a distintos grupos de carbones (básicamente, en función de la profundidad de formación y extracción):

- Turba Æ pertenece al grupo de carbones extraídos a menor profundidad, con un 60% de carbono (C) y un poder calorífico bajo; se trata de carbón con un contenido elevado de humedad.

- Lignito Æ se extrae de capas más profundas que las turbas, contiene un 70% de carbo- no (C) y con un poder calorífico también bajo, aunque contiene menor grado de hume- dad que la turba.

- Hulla Æ se extrae de capas más profundas que los lignitos, contiene un 80% de carbono (C) y tiene un elevado poder calorífico; su aspecto es grasiento y su principal aplicación es la obtención de coque (por destilación), utilizado como agente reductor en el proceso de obtención del hierro (industria siderúrgica).

- Antracita Æ pertenece al grupo de carbones extraídos a mayor profundidad, con un con- tenido en carbono (C) de hasta un 95% y un poder calorífico muy elevado. La profundi- dad y el poco espesor de sus yacimientos, hace que su extracción resulte difícil y costo- sa.

El carbón mineral tuvo su época de apogeo con la aparición de la máquina de vapor (Revolución Industrial); actualmente, su aplicación más relevante es como combustible en las centrales térmicas convencionales y en los procesos siderúrgicos de obtención del hierro en los altos hornos, en forma de carbón de coque.

Petróleo

Hoy en día, el petróleo es uno de los motores de la economía mundial, sin embargo, en los últimos años ha disminuido su disponibilidad y ha aumentado el coste; además, del aumento en la preocupación por el medio ambiente y el cambio climático han avivado la necesidad de investigar y desarrollar alternativas más abundantes y menos contaminantes.

Combustible líquido muy viscoso, cuyo origen se remonta a hace millones de años y se debe a que grandes cantidades de microorganismos marinos (básicamente, plancton) fue- ron arrastrados y depositados en las costas y posteriormente sepultados por sucesivas capas de arena, lodo…

El petróleo crudo, no tiene muchas propiedades ni aplicaciones, por lo que requiere de un proceso de refinado, es decir, transformar el petróleo en productos aptos para el consu- mo. Dicha transformación tiene lugar en unas instalaciones llamadas refinerías, lugar donde se realizan los procesos destinados a separar los distintos componentes/ fracciones del petróleo crudo.

Los distintos derivados del petróleo tienen aplicaciones muy importantes, tanto en el campo de los suministros energéticos como en la industria química. Destacamos los com- bustibles como los gases licuados del petróleo –GLP- (butano, propano...), los carburantes (fuel, gasolinas, queroseno, gasoil…), aceites lubricantes, asfaltos, etc.

Una parte muy importante de los componentes del petróleo se utiliza como materia prima en las industrias petroquímicas para la obtención de plásticos, disolventes, detergen- tes, productos farmacéuticos... y otros productos de gran utilidad.

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Gas Natural

Se trata de un combustible gaseoso formado, en su mayor parte, por metano (70%) y otros gases como butano, propano, etano... Se encuentra bajo tierra, formando bolsas atra- padas en medio de rocas impermeables que impiden su propagación. Su formación es seme- jante a la del petróleo e incluso, en algunos casos, se encuentra asociado con él.

La utilización industrial del gas natural es relativamente reciente, a pesar de poseer un elevado poder calorífico y un bajo poder contaminante. Eso se debe a la dificultad que entra- ña su extracción, transporte y almacenamiento, por lo que, hasta que no se desarrollaron métodos eficientes, su extracción y utilización no resultaban rentables.

La mayor parte del gas natural se utiliza como gas combustible para el consumo domés- tico en viviendas, en industrias, comercios… gracias a su enorme red de tuberías de distri- bución.

Cada vez más, se implanta la utilización del gas natural como combustible en centrales térmicas, para desplazar otros combustibles más utilizados, pero, a su vez, más contaminan- tes, como el carbón o el fuel. De la misma manera, es el principal combustible utilizado en las instalaciones de cogeneración (producir energía eléctrica y energía térmica simultánea- mente).

Gases Combustibles

Hacen referencia a cualquier mezcla gaseosa empleada como combustible para propor- cionar energía, liberando calor, mediante la reacción con el oxígeno del aire y gracias a la acción de un foco de ignición (llama, chispa…).

Los combustibles gaseosos están formados principalmente por hidrocarburos y tienden a clasificarse por familias, dada la gran variedad de características e instalaciones requeri- das por cada uno de ellos:

- Primera familia Æ poder calorífico bajo; destaca el gas ciudad y se destinan, básicamen- te, al consumo doméstico. Se distribuyen mediante una red de tuberías.

- Segunda familia Æ poder calorífico mayor; destacan el gas natural y el aire propanado (mezcla de aire y gas propano) y se destinan al consumo doméstico y algunas aplicacio- nes industriales. Se distribuyen mediante una red de tuberías.

- Tercera familia Æ poseen el mayor poder calorífico de las tres; destacan los gases licua- dos del petróleo –GLP- (butano y propano). Se almacenan y distribuyen en bombonas.

z Combustibles nucleares

La energía nuclear proviene de la modificación que sufren algunos núcleos atómicos mediante lo que llamamos reacciones nucleares (liberación de la energía contenida en el núcleo atómico). La cantidad de energía obtenida mediante procesos nucleares supera, con mucho, a las logradas mediante procesos químicos.

Los átomos más utilizados en las reacciones nucleares suelen ser de uranio (U) y pluto- nio (Pu), por lo que dichos elementos reciben el nombre de combustibles nucleares. Las reacciones nucleares provocadas, a nivel industrial, para la obtención de grandes cantida- des de energía en forma de calor, suelen ser mediante fisión y fusión nucle-

ar.

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Fisión Nuclear

La energía de fisión se produce como consecuencia de bombardear con neutrones un núcleo atómico de un combustible nuclear, provocando su rotura. El núcleo originario se descompone en 2 núcleos con gran desprendimiento de energía.

El mayor interés del proceso de fisión radica en el hecho que por cada núcleo fragmen- tado se emiten neutrones los cuales, a su vez, pueden fragmentar otros núcleos y así suce- sivamente, dando lugar al fenómeno conocido como reacción en cadena.

La reacción nuclear es rapidísima y la energía que se desprende es muy grande, por tanto se hace muy difícil de controlar. El control se consigue con sólo un neutrón que pro- voque la reacción de fisión posterior (principio de funcionamiento de los reactores nuclea- res –sistema para producir y controlar reacciones en cadena-)

Fusión Nuclear

La reacción de fusión consiste en la unión de dos núcleos atómicos ligeros para formar un núcleo atómico más pesado y estable, lo que provoca un gran desprendimiento de ener- gía (calor).

El principal inconveniente de este tipo de reacciones es que los núcleos atómicos tienen que aproximarse, los unos a los otros, venciendo las fuerzas electroestáticas de repulsión, (los núcleos atómicos son partículas cargas positivamente), por lo que son necesarias enor- mes cantidades de energía. La solución a este fenómeno pasa por investigar y desarrollar sistemas tecnológicos que permitan que se cumplan dos requisitos básicos:

- Calentar Æ calentar las partículas que intervienen en el proceso de fusión a temperaturas del orden de centenares de millones de ºC, para

conseguir un plasma (considerado el 4º estado de la materia), que con-

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neutrón

núcleo atómico

núcleos atómicos

ligeros

núcleo atómico

pesado

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siste en un conglomerado de partículas cargadas positiva y negativamente, pero sin una estructura atómica que las ligue, la cual cosa contrarresta el problema de la repulsión entre núcleos atómicos.

- Confinar Æ mantener la materia en estado plasma aislada y encerrada en la cavidad del reactor el tiempo suficiente para que pueda reaccionar.

b. Recursos renovables

z El agua

Tiene como origen el Sol, ya que éste es a causa del “ciclo del agua”. El impulso del agua fue fundamental para el desarrollo de muchas civilizaciones, sobretodo con el nacimiento de la rueda hidráulica, utilizada para un sinfín de aplicaciones (moler grano, transmisión del movi- miento…).

Actualmente, la energía hidráulica está presente gracias a la aparición de las turbinas hidráu- licas, utilizadas, básicamente, como máquinas motrices en las centrales eléctricas para la obten- ción de electricidad. El aprovechamiento de esta energía se realiza mediante saltos de agua.

Aunque se trata de un recurso inagotable que la naturaleza se encarga de renovar, su explo- tación energética presenta algunos inconvenientes:

- Estacional Æ el nivel de precipitaciones depende de la estación del año en que nos encontremos y de los ciclos de sequía

- Impacto medioambiental Æ la construcción de presas supone la destrucción de zonas fértiles y la modificación de ciertos ecosistemas.

- Transporte Æ los emplazamientos suelen están lejos de las zonas de consumo.

z El Sol

El Sol es el origen de la mayoría de los recursos renovables. La energía solar llega a la Tierra en forma de radiación electromagnética (radiación solar), fruto de las constantes reacciones nucleares de fusión que se producen en su interior y que desprenden enormes cantidades de energía.

La energía solar llega a la superficie terrestre directamente (radiación directa) o reflejada con el polvo y vapor de agua de la atmósfera (radiación difusa); esta última es la que nos llega en días nublados.

Las ventajas de la radiación solar son:

- Es inagotable y no contamina.

- Mediante procesos de concentración pueden alcanzarse con ella temperaturas hasta 3000 ºC, que permiten poner en marcha ciclos termodinámicos de alto rendimiento, sobretodo para la obtención de energía eléctrica.

Los inconvenientes de la radiación solar son:

- Es discontinua y aleatoria; llega a la superficie terrestre de manera dispersa e incons- tante.

- No dispone de ningún sistema de almacenamiento eficaz, con lo que tiene que ser transformada inmediatamente en otra forma de ener-

gía (térmica o eléctrica).

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- Su aprovechamiento requiere disponer de sistemas de captación de grandes superfi- cies y componentes de costes elevados. La energía solar que llega a la Tierra es gra- tuita, pero su transformación en energía útil es muy costosa y, en muchos casos, aun está en fase de experimentación.

El aprovechamiento de la energía solar puede hacerse por 2 vías:

- Vía térmica Ætransformar la energía que proviene de Sol en energía calorífica.

Baja temperatura: los sistemas más utilizados son los captadores planos (colectores) que absorben la energía solar y la transmiten en forma de calor. Se utilizan general- mente para la obtención de agua caliente sanitaria, calefacción, climatización… y se basan en el fenómeno del efecto invernadero.

Media y Alta temperatura: en estos sistemas es necesario captar la energía solar y con- centrarla mediante dispositivos especiales (colectores de concentración) y transmi- tirla a un fluido de trabajo. Se pueden utilizar para la obtención indirecta de ener- gía eléctrica en las centrales termosolares (radiación solar Æ calor Æ fluido Æ vapor Æ electricidad).

- Vía fotovoltaica Æ transformar, directamente, la radiación solar en energía eléctrica.

z El viento

La energía eólica se puede considerar como el aprovechamiento energético de la fuerza del viento. Fue la primera energía aprovechada por el hombre, inicialmente como elemen- to motriz de las embarcaciones a vela y, posteriormente, en los molinos de viento con apli- caciones diversas.

En la actualidad, el interés por el aprovechamiento de la energía eólica radica, principal- mente, en la producción de energía eléctrica, por su carácter de energía limpia y renovable, y por su potencial energético. Su principal inconveniente, al igual que pasa con la energía solar, es su carácter discontinuo y que su intensidad es variable.

El aprovechamiento de la energía eólica se desarrolla mediante las denominadas AERO- TURBINAS, que transforman la energía cinética del viento en energía mecánica de rotación, mediante un sistema de captación formado por unas palas solidarias a un eje. Básicamente, existen dos tipos de aeroturbinas:

- Aeromotores Æ son máquinas lentas, tienen numerosas palas (entre 12 y 24), su rendi- miento es bastante bajo y proporcionan bajas potencias. Para su funcionamiento requie- ren poca velocidad de viento. Su principal aplicación reside en el bombeo de agua de los pozos.

- Aerogeneradores Æ son máquinas rápidas, tienen pocas palas (entre 2 y 3), su rendi- miento es elevado y proporcionan grandes potencias. Para su funcionamiento requieren gran velocidad de viento. Se utilizan, básicamente, para la obtención de energía eléctri- ca.

z Geotermia

Se entiende por geotermia, el calor almacenado en el interior de la Tierra, generalmente, procedente del núcleo; por lo tanto, denominaremos energía geotérmica a aquella parte de la energía intrínseca de la Tierra que se manifiesta en forma de calor. Este

calor tiende a difundirse en el interior hasta escapar por la superficie de la

corteza terrestre.

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Se basa en el llamado gradiente geotérmico, que es el aumento de temperatura a medida que aumenta la profundidad de la corteza terrestre.

El aprovechamiento de la energía geotérmica radica en los denominados yacimientos geotérmicos, zonas o regiones del interior de la corteza terrestre de dónde extraemos el calor. Para la formación de dichos yacimientos geotérmicos deben darse una serie de condi- ciones:

- Presencia, a una profundidad de unos 1000-2000 m. de rocas porosas y permeables (acuí- fero), permitiendo la acumulación y circulación de fluidos, fruto de la infiltración del agua de la lluvia.

- Un flujo de calor para calentar el acuífero; dicho flujo proviene del magma (masa fluida de elevada temperatura).

- Existencia de una capa impermeable de rocas, lodos, …que impida la filtración del acuí- fero hacia capas inferiores.

En función de la temperatura del fluido extraído podemos clasificar los yacimientos geo- térmicos en:

- Baja energía Æ se aprovecha directamente el agua caliente (<100 ºC) para aplicaciones variadas (calefacción, agua caliente doméstica, piscinas....).

- Media energía Æ existe la posibilidad de producir energía eléctrica, recurriendo a un fluido intermedio de bajo punto de ebullición para su extracción (amoníaco).

- Alta energía Æ el vapor a presión o el agua a más de 150 ºC tienen un valor suficiente de fuerza motriz como para alimentar una central eléctrica.

En general la energía geotérmica, aunque ofrece grandes posibilidades de aprovecha- miento, tiene enormes limitaciones:

- Aplicación local.

- No puede transmitirse a grandes distancias.

- En muchos casos, el vapor contiene gran cantidad de humedad con lo

que existe el riesgo de corrosión de las instalaciones.

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ACUÍFERO

MAGMA Flujo

de calor Rocas porosas

y permeables

Rocas impermeables

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z La biomasa

La biomasa incluye toda la materia viva existente en un momento determinado en la Tierra. Des del punto de vista energético, se considera biomasa la materia orgánica, de ori- gen vegetal o animal, obtenida de manera natural o procedente de sus transformaciones artificiales, susceptible a ser utilizada con fines energéticos, en forma de combustible.

Los procesos en que se somete la biomasa para su transformación en combustible se dividen en tres apartados:

- Procesos físicos Ædestinados a preparar la biomasa para su uso directo como combus- tible. Los más importantes son:

Refinado Densificación

- Procesos termoquímicos Æ la biomasa se somete a diversas transformaciones en deter- minadas condiciones de presión y temperatura para obtener combustibles sólidos, líqui- dos y gaseosos. Los métodos más utilizados son:

Pirolisis Gasificación

- Procesos bioquímicos Æ la biomasa se somete a procesos de fermentación bacteriana, siguiendo dos procedimientos:

Digestión anaeróbica Fermentación aeróbica

Un factor a tener en cuenta es la biomasa residual (residuos forestales, agrícolas y domésticos) que ofrece grandes perspectivas en cuanto a su aprovechamiento energético, ya que se producen de forma continua como consecuencia de la actividad humana.

La eliminación de residuos naturales constituye un problema cuya solución requiere un coste elevado. El aprovechamiento energético de los residuos ahorra los costes de su elimi- nación.

z El mar y los océanos

Los mares y los océanos son una fuente de energía prácticamente inagotable. El agua del mar almacena energía térmica procedente de la radiación solar; las olas y las corrientes marinas, provocadas por la fuerza del viento, junto con las mareas, dan origen al movimien- to de grandes masas de agua.

Muchos han sido los proyectos propuestos para aprovechar el potencial energético del mar, pero la mayoría no se han realizado debido a:

- Los efectos corrosivos del agua salada sobre las partes metálicas.

- Las condiciones atmosféricas adversas.

- Las dificultades en el transporte de la energía producida.

- Los costes elevados que suponen.

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Actualmente, se investiga la generación de energía eléctrica a través de las mareas, las olas y las diferencias térmicas de las aguas a distintas profundidades.

Energía de las mareas

Las mareas son un movimiento cíclico alternativo de ascenso y descenso del nivel del agua del mar, producto de la acción gravitatoria de la Luna y el Sol y favorecido por la poca viscosidad del agua. Este movimiento de subida y bajada del nivel del agua es aprovecha- do en las centrales mareomotrices para generar energía eléctrica.

Su utilización industrial sólo es posible en aquellas zonas donde la amplitud de las mareas (diferencia de altura entre el nivel máximo –pleamar- y el nivel mínimo –bajamar-) sea grande y que reúnan determinadas condiciones topográficas para crear grandes embalses.

Los grandes inconvenientes de estas instalaciones son:

- Los elevados costes.

- El funcionamiento discontinuo y de la carga hidráulica variable (distintas amplitu- des).

- Las máximas puntas de producción de energía se producen por la noche, cuando la demanda energética es mínima.

Energía de las olas

La principal fuente de energía de las olas es el Sol. El calentamiento desigual de la super- ficie terrestre genera viento y este genera olas.

La energía de las olas proporciona una potencia muy elevada y posee una densidad energética muy elevada en comparación con otras formas de energía, sin embargo su apro- vechamiento eficaz y rentable se considera a largo plazo, debido a que los sistemas propues- tos requieren elevadas inversiones y, además, hay dificultades para encontrar materiales suficientemente ligeros y resistentes a los esfuerzos mecánicos y a la corrosión.

Energía térmica de los océanos

La diferencia de temperaturas entre las capas superficiales y las profundidades de los océanos (gradiente térmico) se puede aprovechar para desencadenar un ciclo termodinámi- co y obtener energía eléctrica.

z Residuos Sólidos Urbanos (RSU)

Se consideran residuos sólidos urbanos a los residuos generados por la actividad huma- na en los núcleos de población o zonas de influencia. El ritmo de vida actual, muchas veces se traduce en un enorme incremento en la generación de residuos que hay que gestionar de manera optimizada y racional.

Los procedimientos de eliminación de los RSU son:

- Vertederos Æ consisten en grandes extensiones de terreno en los que se almacenan los RSU y se entierran periódicamente; este procedimiento conlleva riesgos medio- ambientales (emisión de gases, contaminación de aguas subterráneas…)

- Compostaje Æ consiste en separar la materia orgánica del resto de los RSU y someterla a tratamientos de fermentación para crear el

“compost”, producto utilizado como abono en la agricultura y la jar- dinería.

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- Reciclaje Æ consiste en la separación de las distintas fracciones de los RSU, para poderlos reintegrar a los procesos productivos.

- Incineración Æ consiste en la eliminación de los RSU mediante un proceso de com- bustión y posterior tratamiento de los gases emitidos.

Energéticamente, la opción más valorada es la de aprovechar el biogás producido en los vertederos (fermentación de la materia orgánica) y recuperar la energía térmica de la com- bustión en las incineradoras

C. Producción de diferentes formas de energía

Las distintas fuentes energéticas analizadas hasta ahora, ya sean renovables o no renovables, estén destinadas a la producción de distintas formas de energía y, de este modo, satisfacer las nece- sidades energéticas de una sociedad.

a. Energía eléctrica

La necesidad de disponer de energía eléctrica en grandes cantidades y de forma inme- diata y continua hace necesaria la existencia de centrales eléctricas productoras de electri- cidad, mediante la transformación de energías primarias en energía eléctrica.

- Centrales eléctricas Æ instalaciones donde coexisten un conjunto de máquinas motrices y aparatos que se utilizan para generar electricidad. El elemento principal de una central eléctrica es el alternador (generador eléctrico), que transforma la energía mecánica en energía eléctrica.

A continuación, se analizan con más profundidad las principales centrales eléctricas uti- lizadas en la actualidad, en función de la energía primaria que utilizan.

z Centrales hidroeléctricas

Las centrales hidroeléctricas se basan en el aprovechamiento de la energía del agua, transportada por los ríos, para convertirla en energía eléctrica, utilizando grupos turbo- alternadores.

Atendiendo a la regularidad de las aportaciones de agua, las centrales hidroeléctricas se clasifican:

- De agua fluyente Æ aprovechan directamente, o mediante pequeños embalses, la ener- gía cinética del agua de los ríos. Son centrales de poco rendimiento, dado que no se puede regular el caudal del río, de por sí irregular según la época del año.

- Con regulación Æ aprovechan la energía potencial del agua retenida por una presa que eleva el nivel del agua y regula el caudal del río aguas abajo.

Componentes de una central hidroeléctrica;

- Presa Æ construcción de hormigón que se levanta perpendicular a la dirección del río, con la finalidad de retener el agua para elevar su nivel y formar un embalse o lago arti- ficial. Su configuración depende de las características orográficas de la zona y del curso del río.

- Aliviadores Æ permiten liberar parte del agua retenida sin necesidad de pasar por la sala de máquinas, con eso se consigue evitar rebosa-

mientos o atender a necesidades de agua (regulación del cabal del río).

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- Conductos de agua Æ permiten conducir el agua a la sala de máquinas para alimentar las turbinas; se colocan compuertas para regular el caudal y rejillas metálicas para pro- teger del paso de elementos como ramas, troncos…

- Turbinas hidráulicas Æ máquinas motrices que transforman la energía cinética del agua en energía mecánica de rotación mediante sus alabes, la cual es transferida a su eje. En función del salto de agua y del caudal existen tres variedades:

Turbinas PELTON: grandes saltos de agua y caudal regular.

Turbinas FRANCIS: saltos medios de agua y cabal variable.

Turbinas KAPLAN: saltos pequeños de agua y cabal muy variable.

- Equipo eléctrico principal:

Alternadores: acoplado al eje de la turbina, recibe el giro de éste y lo transforma en ener- gía eléctrica de baja tensión.

Transformadores: eleva la tensión de la electricidad generada en el alternador facilitar su transporte a largas distancias hacia los puntos de consumo.

Parque de distribución: conecta la central con la red eléctrica.

Principio de funcionamiento de una central hidroeléctrica:

La presa (1) retiene el agua del río, elevando su nivel (ganando Ep) y creando un embal- se. El agua es conducida, a través de los conductos, aprovechando el desnivel de éstos, hacia la turbina (2), adquiriendo Ec. El impulso del agua hace mover los alabes de la turbina que, a su vez, dicho movimiento acciona el alternador (3), generándose la electricidad. A dicha electricidad, se le eleva el voltaje en el transformador (4) y, posteriormente, es enviada a la red eléctrica a través del parque de distribución (5).

El agua que acciona la turbina se devuelve al río de origen, del cual hemos creado el embalse

Utilización Energía

potencial

Energía cinética

Energía eléctrica Energía

cinética rotación

Embalse Conductos Turbina Alternador

RÍO EMBALSE

1

2 3 4 5

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z Centrales térmicas convencionales

En las centrales térmicas convencionales se genera energía eléctrica a partir de la ener- gía térmica producida por la combustión de combustibles fósiles, básicamente carbón mine- ral, fuel y gas natural. Antes de su utilización, los distintos combustibles son tratados para optimizar el proceso:

- Carbón Æ se tritura en forma de polvo fino para facilitar la combustión.

- Fuel Æ se precalienta para que se vuelva más fluido (reducir su viscosidad), para opti- mizar la inyección en los quemadores.

- Gas natural Æ normalmente llega a la central en gaseoductos a alta presión y, median- te una estación reductora de presión, se adecua a las características de funcionamiento de los quemadores

Componentes de una central térmica convencional:

- Caldera Æ se trata de un intercambiador de calor que basa su funcionamiento en la transmisión de calor por radiación. Consta de las siguientes zonas:

Quemadores: se lleva a cabo la combustión del combustible fósil en cuestión

Cámara de combustión: en su interior se alojan unos conductos por donde circula el líqui- do (fluido de trabajo), normalmente agua, a evaporar.

Precalentadores: aprovechan el calor residual de los gases de la combustión para realizar un calentamiento previo del fluido de trabajo.

Re-calentadores: una vez el fluido de trabajo se ha evaporado, se le somete a un calenta- miento posterior para eliminar pequeñas gotitas residuales que acompañan al vapor y que disminuirían el rendimiento del proceso.

- Turbinas de vapor Æ máquinas motrices que transforman la energía cinética del vapor en energía mecánica de rotación mediante sus alabes, la cual es transferida a su eje.

- Equipo eléctrico principal:

Alternadores: acoplado al eje de la turbina, recibe el giro de éste y lo transforma en ener- gía eléctrica de baja tensión.

Transformadores: eleva la tensión de la electricidad generada en el alternador, con el fin de facilitar su transporte a largas distancias hacia los puntos de consumo.

Parque de distribución: conecta la central con la red eléctrica.

- Chimenea Æ conectada a la caldera, tiene la misión de evacuar a la atmósfera los gases de la combustión; contiene unos filtros para atrapar las partículas sólidas en suspensión.

- Condensador Æ condensa el vapor procedente de la turbina para que vuelva a entrar en la caldera en estado líquido; lo hace mediante un circuito interno (circuito de refrigera- ción) de agua fría procedente de un río.

- Torre de refrigeración Æ su misión es la de enfriar el agua del circuito de refrigeración del condensador para devolverla al río en las mejores condiciones tér-

micas posibles con el objetivo de evitar la contaminación térmica de las

aguas.

C C E E P P

(16)

- Sala de tratamiento del agua de alimentación Æ el agua contiene sales minerales que pueden precipitar e incrustarse en las paredes interiores de los conductos, influyendo negativamente en el rendimiento del proceso; por dicho motivo es necesario la adición de ciertos productos químicos para reducir la concentración de estas sales.

Principio de funcionamiento de una central térmica convencional:

El combustible se quema en los quemadores de la caldera (1), lo cual produce un aporte de energía térmica que es transferida a un fluido (generalmente agua) que circula por unos conductos alojados en el interior de la caldera. A raíz de esto, el agua se convierte en vapor, el cual es conducido, a elevada presión, hacia la turbina (2), provocando el movimiento se sus alabes y el consecuente accionamiento del alternador (3), produciendo electricidad. A dicha electricidad, se le eleva el voltaje en el transformador (4) y, posteriormente, es envia- da a la red eléctrica a través del parque de distribución (5).

A la salida de la turbina, el vapor se dirige a un condensador (6) que, alimentado por agua fría de un río, lo enfría convirtiéndolo de nuevo en agua líquida, la cual es conducida nuevamente a la caldera para volver a iniciar un nuevo ciclo (circuito primario).

El agua fría del condensador, debido a la transmisión de calor con el vapor, se calienta, por lo que se requiere enfriarla de nuevo para devolverla al río en las condiciones adecua- das; dicho enfriamiento tiene lugar dentro de la torre de refrigeración (7).

z Centrales termonucleares

Una central nuclear es una central termoeléctrica en qué la fuente de energía térmica se obtiene mediante la fisión nuclear de átomos de combustible nuclear (uranio, plutonio…).

Las máquinas que permiten iniciar, mantener y controlar una reacción en

cadena de fisión nuclear se denominan reactores nucleares.

C C E E P P

Energía química

Energía térmica

Energía cinética

Energía cinética rotación

Energía

eléctrica Utilización

Combustible Caldera Vapor Turbina Alternador

RÍO 1

2 3 4

5

6 7

editorial

} cep

(17)

Partes de un reactor nuclear:

- Vaso del reactor Æ forma el núcleo del reactor y está formado por un recipiente de acero que contiene dos elementos:

Fuente de neutrones: permiten iniciar la reacción en cadena.

Combustible nuclear: materiales fisionables (Uranio).

- Moderador Æ tiene la función de controlar la energía cinética (velocidad) de los neu- trones emitidos en las reacciones de fisión, para asegurar su impacto sobre otros núcleos de Uranio.

- Barras de control Ætienen la misión de de regular el número de fisiones en el inte- rior del núcleo por unidad de tiempo. Las barras entran y salen del núcleo en función de la temperatura generada en su interior, por lo que controlan la temperatura que se debe alcanzar en todo momento

- Refrigerante Æ tiene la función de extraer el calor generado del núcleo, para evitar el sobrecalentamiento.

Los componentes de una central termonuclear son los mismos que los de las centrales térmicas convencionales, con la principal diferencia que el elemento que genera la energía térmica es el reactor nuclear y en las centrales térmicas convencionales tal efecto lo realiza la caldera.

Principio de funcionamiento de una central térmica convencional:

El combustible nuclear es fisionado dentro del reactor nuclear (1), generando elevadas cantidades de calor (energía térmica), la cual se transfiere a un fluido (generalmente agua) que circula por unos conductos, convirtiéndolo en vapor. Dicho vapor se conduce, a eleva- da presión, hacia la turbina (2), provocando el movimiento se sus alabes y el consecuente accionamiento del alternador (3), produciendo electricidad. A dicha electricidad, se le eleva el voltaje en el transformador (4) y, posteriormente, es enviada a la red eléctrica a través del parque de distribución (5).

A la salida de la turbina, el vapor se dirige a un condensador (6) que, alimentado por agua fría de un río, lo enfría convirtiéndolo de nuevo en agua líquida, la cual es conducida, nuevamente, al reactor para volver a iniciar un nuevo ciclo (circuito primario).

El agua fría del condensador, debido a la transmisión de calor con el vapor, se calienta, por lo que se requiere enfriarla de nuevo para devolverla al río en las condiciones adecua- das; dicho enfriamiento tiene lugar dentro de la torre de refrigeración (7).

C C E E P P

Energía nuclear

Energía térmica

Energía cinética

Energía cinética rotación

Energía

eléctrica Utilización

Combustible Reactor Vapor Turbina Alternador

(18)

z Centrales solares

La energía solar puede ser aprovechada de dos formas distintas:

- Conversión térmica.

- Conversión fotovoltaica.

Conversión Térmica (CENTRALES TERMOSOLARES)

La obtención de energía eléctrica a través de la energía térmica obtenida de la radiación solar siempre sigue el mismo proceso: la radiación solar es concentrada sobre un fluido y se transforma en energía térmica; el fluido calentado en pasar por un intercambiador produce el vapor que acciona un grupo turbina-alternador, en el cual se obtiene la energía eléctrica.

CENTRALES CON COLECTORES DISTRIBUIDOS

Utilizan los denominados colectores de concentración que concentran la radiación solar que reciben en un elemento receptor de superficie muy reducida (punto, línea...), la cual cosa permite alcanzar temperaturas del orden de 300 ºC, suficientes para producir vapor a presión, que se utiliza para generar energía eléctrica, accionando turbinas de vapor.

C C E E P P

RÍO

1 2 3 4

5

6 7

Radiación solar

Colectores de

concentración Fluido Caldera

(intercambiador)

Fluido (H2O)

Vapor (H2O) Turbina-

alternador ENERGÍA

ELÉCTRICA

Calor Calor

editorial

} cep

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