Recursos energéticos y minerales Energía Capacidad de realizar trabajo Los intercambios de energía se rigen por las leyes de la termodinámica: 1. Ley de conservación de la energía. 2. En todo intercambio espontáneo de energía, la entalpía aumenta. Clasificación de la energía Energías renovable Limpias Eólica Hidráulica Geotérmica De las mareas Del oleaje Maremotérmica Solar Energías no renovables Contaminantes Biomasa Contaminantes Combustibles fósiles: •Carbón •Petroleo •Gas natural Energía nuclear Tipos de energía según su calidad Es de mayor calidad la energía más concentrada, es decir, tiene mucha capacidad de producir trabajo en relación a su masa o volumen. Por ejemplo: petróleo, carbón. Es de menor calidad la energía dispersa en grandes volúmenes: Porejemplo: el calor almacenado en los mares, los vientos suaves. Calidad de la energía Calidad Tipos de energía Utilidad Muy alta Electricidad térmica (>2500ºC), nuclear , luz solar concentrada. Industria, iluminación, motores Alta Térmica (1000-2500ºC) gasolina, gas natural, carbón Industria, producir electricidad, vehículos Moderada Térmica (100-1000ºC), luz solar, Procesos industriales sencillos, agua a alta velocidad, viento fuerte, cocinar, obtener electricidad, agua madera, restos orgánicos caliente, vapor Baja Térmica (<100º), agua a velocidad Calentamiento de edificios lenta, viento suave, geotérmica dispersa. Calidad de la energía Las energías más concentradas son las de más fácil utilización. Pero no por eso deben utilizarse siempre, pues supone costes elevados en el proceso de concentración. El uso de energía de cierto nivel corresponde la tarea concreta que realicemos: si usamos energía de un nivel superior estamos despilfarrando. Rentabilidad económica. El precio es un factor muy importante al elegir la fuente energética, pues usaremos la más barata, depende de: su accesibilidad, extracción y transporte. Sistema energético Sistema energético Es un conjunto de procesos realizados sobre la energía desde sus fuentes hasta el uso final. Fases: 6 1. Captura o extracción: conseguir la energía de su fuente original, como por ejemplo perforar un pozo petrolífero. 2. Transformación en energía secundaria, que es la energía que se puede utilizar, como por ejemplo en una refinería. 3. Transporte de la energía secundaria hasta el lugar de consumo. Por ejemplo: gaseoducto, camiones cisterna. 4. Consumo de energía secundaria. Por ejemplo, usar el coche. Sistema energético Convertidor: Componente del sistema energético que transforma unas fuentes de energía en otras, para facilitar su uso o transporte. Son convertidores: motor, presa, caldera… Cada proceso de conversión supone pérdida de energía, con lo que la cadena de conversión será menos eficiente cuanto más larga sea. Rendimiento sistema energético Rendimiento = E obtenida / E suministrada Rendimiento = Salidas / entradas (en %) • Siempre es menor que 100,ya que la entropía siempre aumenta (19% en un automóvil). • Se aplican mejoras técnicas para mejorar los rendimientos, más si la energía es cara. Rendimiento sistema energético Coste energético: Precio que pagamos por utilizar la energía secundaria: Recibo de la luz, precio de la gasolina… Costes ocultos: Asociados con los equipos e instalaciones implicados en el proceso energético: construcción, mantenimiento, desmantelamiento y eliminación del impacto Combustibles fósiles Recurso: Estimación teórica de la cantidad total de un determinado combustible fósil, que hay en la corteza terrestre. Reserva: Cantidad descubierta de un combustible fósil cuya explotación resulta económicamente rentable. Combustibles fósiles: – Carbón: sólido, formado por fermentación de restos vegetales. – Petróleo: líquido oscuro formado por fermentación de restos marinos. – Gas natural: mezcla de diversos gases formados por fermentación de materia orgánica. El carbón • Alto poder calorífico. • Sus reservas se estiman en 220 años. • Genera óxidos de S, causantes de la lluvia ácida, y dióxido de carbono. • Se forma a partir de restos vegetales en el fondo de pantanos o lagunas, que en ausencia de oxígeno fermentan, sin que se pudran. El carbón Se extrae de minas que pueden ser: – A cielo abierto: generan menos riesgos laborales y un gran impacto ambiental, genera mucha contaminación. – Galerías, con gran riesgo, que genera enfermedades y aumenta los costes. Usos del carbón • Combustión en la central térmica para producir electricidad (30% de la E eléctrica mundial. • Se intenta evitar la contaminación mediante: – Sustitución de combustible. – Procesado del combustible. – Diseño de centrales térmicas más eficientes. Petróleo • Se origina por la muerte masiva del plancton marino y sedimentación junto a cienos y arenas, dando barros sapropélicos. • Los cienos y las arenas dan rocas que se impregnan de hidrocarburos (formados por la fermentación de materia orgánica). • El petróleo es poco denso y aflora superficie donde se disipa, pero cuando tropieza con rocas impermeables se acumula en las rocas subyacentes, que sirven de almacén. Tratamiento del petróleo Se necesitan diversos tratamientos para su uso: • Extracción. • Refinado. • Transporte. • Distribución. Tratamiento petróleo Refinado del petróleo Es una destilación fraccionada, en la que se separan sus distintos componentes, que serán sometidos a tratamientos posteriores: • Gases: – • Líquidos: – – – – • metano, etano, propano: Usos en calderas domésticas e industriales. Gasolina para vehículos. Nafta, y queroseno: industria química y combustible aviones. Gasóleos: vehículos diesel y calefacción doméstica. Fuel: centrales térmicas, para generar electricidad. Sólidos: – Alquitranes, betunes… Determinados productos se usan para la industria química, fertilizantes, pesticidas, plásticos, fibras sintéticas, pinturas, medicinas… Reservas de petróleo Las reservas mundiales se reparten así: • Europa (2%) • Ex URSS (7%) • África (9%) • Asia y Oceanía (4%) • Oriente Medio (Arabia Saudí 18%; Irak 11%; Emiratos Árabes 11%; Irán 10%; Kuwait 10%; otros 3%). • América (EEUU 3%; México 4%; Venezuela 6%, y otros 4%. Gas natural • Se produce por fermentación de materia orgánica. • Compuesto por una mezcla de gases: hidrógeno, metano (alto efecto invernadero), butano, propano… • Se extracción es fácil, ya que la presión tiende a fluir de forma espontanea. • Se transporta mediante gaseoductos, de bajo riesgo o licuado en barcos, aunque es de más riesgo. • Usos: – Hogar. – Industria. – Centrales térmicas: no genera óxidos de N ni S, emite un 65%menos de dióxido de C y es más eficiente que carbón y petroleo. • Sería una buena alternativa a otros combustibles, pero sus reservas se estiman en 20 años. Energía nuclear El impacto de un neutrón sobre un núcleo de U235 genera la división del núcleo que libera: 2 núcleos y neutrones que pueden seguir dividiendo núcleos: reacción en cadena. Para controlar la velocidad de reacción, se introduce entre las barras de combustible nuclear un moderador que absorbe los neutrones y que puede ser: agua, grafito sólido o agua pesada. Central nuclear Central nuclear 1. El material radioactivo está dentro de la vasija principal, refrigerado por agua (en contacto con el material radioactivo) que se mantiene en un circuito aislado. Circuito primario. 2. El circuito secundario: enfría al primero, originando el vapor que impulsa las turbinas que atacarán la dinamo que produce la electricidad. 3. El tercer circuito: Tiene como objetivo licuar el vapor producido en el secundario. Esta agua entra y sale de un deposito exterior o un río. Impactos de la energía nuclear Impactos de la central: • No debería producir contaminación radiactiva. • Afecta al microclima local: aumenta el calor y la humedad. • Altera los ecosistemas acuáticos al elevar la temperatura del agua (lo que disminuye el oxígeno disuelto). Combustible nuclear: • Se obtiene del isótopo U-235, separándolo del uranio nativo y se enriquece con Pl -239. Se fabrican barras. • Se utilizan las barras durante unos 3-4 años, hasta que la concentración en U-235 es demasiado baja como para mantener la reacción de fisión. • Se retiran y almacenan en una piscina dentro del reactor. • Se transportan a centros de reprocesado, donde se extrae el plutonio y otros elementos de vida media corta. ( Aquí existe el riesgo de robo y de fabricación de bombas atómicas). • El resto de residuos seguirán activos unos 10.000 años. Energía nuclear en España Energía hidroeléctrica Las turbinas transmiten el movimiento del agua a una dinamo que transforma la energía mecánica en eléctrica. Energía hidroeléctrica Ventajas: • Bajo coste y mantenimiento. • No emite contaminación en su funcionamiento. • Permite utilizar el agua en otros usos. Inconvenientes: • Reducción de la diversidad biológica. • Dificulta el transporte por los ríos (seres vivos, nutrientes y barcos). • Disminución del caudal de los ríos. • Modificación del nivel freático. • Riesgos geológicos mixtos: acelera la erosión y sedimentación y riesgo de rotura de presas. • Costes de construcción. Energías alternativas Energías alternativas • Casi todas son renovables y de bajo impacto ambiental. • Se valora su posible uso atendiendo a: – Su disponibilidad actual. – Su coste económico. – Las infraestructuras necesarias para su uso. • Algunas de ellas pueden funcionar sólo a pequeña escala, por lo que hay que planificar su distribución. • En general dependen del Sol. Energías solares: sistemas arquitectónicos Arquitectura bioclimática • Aplica las características de la arquitectura popular. • Tiene en cuenta: – La orientación. – Muros aislantes. – Los materiales de construcción. – El tamaño de las ventanas y su disposición. Centrales solares Térmicas • Se transforma la energía solar en eléctrica. • Se captura la luz y se concentra mediante un colector: – Por disco parabólico de espejos que concentran la luz en un punto central. – Mediante espejos móviles que siguen al sol y concentran la energía en una torre. – Mediante un espejo cilindroparabólico que dirige la luz hacia un tubo en la línea central. • Con el calor se calienta hasta 400ºC el aceite de un circuito, que a su vez • Calienta el agua hasta vapor que moverá la turbina del generador. Fotovoltaicas • • Se convierte directamente la energía solar en eléctrica: un material semiconductor (silicio) que al absorber fotones produce una corriente eléctrica. Ventajas: – No produce contaminación, ni ruido. – Tiene un mantenimiento mínimo. – No requiere agua. • Inconvenientes: – – – – Su fabricación es cara. Necesita mucho espacio. Genera impacto visual. Su producción es variable. Biomasa Energía de la biomasa • Comprende todo tipo de materia orgánica que pueda utilizarse como combustible: – – – – Residuos forestales Desechos agrícolas Desechos animales Basura. • Es potencialmente renovable. • Tiene un balance 0 de emisiones de dióxido de carbono (emite lo mismo que almacenó por fotosíntesis) • Tiene el inconveniente del transporte por lo que tiende a usarse cerca del lugar de producción. • Se puede usar: – Biomasa energética: quemándose directamente. – Biocombustibles: se transforman en otros combustibles. Biomasa energética Se realiza la quema de restos vegetales para: • Obtener calor y cocinar.(80 % de la energía en países en desarrollo). • Obtener energía eléctrica en las centrales térmicas. Biomasa: Biogás • Se obtiene por descomposición anaerobia de restos orgánicos, en un digestor. • Se genera una mezcla de varios gases: metano (50-70%), dióxido de carbono Biocombustible: Bioetanol • Se obtiene por fermentación alcohólica de vegetales ricos en almidón (cereales y patatas) o en sacarosa (remolacha y caña de azúcar). Está muy desarrollado en Brasil. • Tras destilarse y deshidratarse el combustible es similar a la gasolina y se puede mezclar con ella, tras una adaptación en los motores. • Un problema es que cuestan más de arrancar en frío y tiene menor rendimiento que la gasolina. • El balance total del CO2 emitido es menor que para los combustibles fósiles, aunque no es 0; puesto que se genera en el proceso de fermentarlo, destilarlo y transportarlo. Biocombustible: biodiesel Biocombustibles: biodiesel • Se someten aceites vegetales a una esterificación metílica (con alcohol y NaOH), con lo que se obtiene un combustible que puede usarse en motores diesel preparados o se refina y sirven para cualquier motor diesel. • Se obtiene a partir de aceites como el de colza, girasol, soja, palma, ricino o reciclando aceites de fritura usados o grasas animales. • Su uso supone una reducción de las emisiones de C02, óxidos de azufre y partículas, aunque aumentan las emisiones de los óxidos de nitrógeno. • Es biodegradable y menos inflamable que el gasóleo. Desventajas: los motores cuestan más de arrancar en frío, se reduce la potencia del motor y aumenta el consumo. Problemas de los biocombustibles • • • • Consumen agua para el riego. Uso de plaguicidas y pesticidas. Energía consumida en su producción y transporte. Se sustituyen cultivos de alimentos por cultivos para biocombustibles, con lo que aumenta el precio de los alimentos. • Generan pérdida de biodiversidad, ya que se tala la selva para cultivar palma aceitera. Soluciones para uso de biocombustibles Se puede evitar utilizar alimentos si: • Usar celulosa de la hierba, restos de cultivos.. • Utilizar algas, puesto que tienen un crecimiento muy rápido, y podrían servir como sumidero de dióxido de carbono. Energía eólica • Los aerogeneradores acoplan la dinamo la movimiento de las aspas. • Impactos: visual, ruido, muerte de aves y sequedad del suelo. • Es una electricidad muy competitiva y funciona bien asociada a otra fuente de energía. Energía mareomotriz Energía mareomotriz • Se transforma la energía mecánica del movimiento del mar durante la marea en energía eléctrica. • Se aíslan zonas cerradas de costa en zonas donde la diferencia de altura en marea sea suficiente (En España en Atlántico y Cantábrico). • El movimiento del agua genera movimiento en las turbinas, tanto al ascender como al descender. Energía geotérmica • Utiliza el calor interno de la tierra para obtener vapor de agua que se acopla a un generador o tomar agua caliente directamente. • No es renovable. • No existen muchas zonas susceptibles de producir. • Puede producir alteraciones en el subsuelo. Hidrógeno como combustible • Es muy abundante y produce el triple de energía que el petróleo. • Puede emplearse de 2 formas: – Quemándolo para obtener energía calorífica. – En pilas de combustible para obtener electricidad directamente. • Cuando se quema para obtener energía, produce agua, por lo que su uso contribuiría a reducir las emisiones de gases de efecto invernadero. • El problema actual es que el hidrógeno se obtiene a partir del gas natural en un proceso en el que se libera CO2. Hidrógeno como combustible. 1. Producción: 1. Hidrólisis del agua: es caro y hay que generar corriente eléctrica. 2. Fotolisis del agua: en estudio. 2. Transporte: Mediante gaseoductos, donde se transportaría mezclado con el gas natural hasta que se agotase. Hidrógeno como combustible • En las pilas de combustible se combinan hidrógeno y oxígeno y se obtiene electricidad. • En el cátodo (polo -) el hidrógeno se rompe dando H+ y electrones, que son conducidos por un circuito y producen la corriente eléctrica. • Los H +van al polo + de la pila (el ánodo) y reaccionan con el oxígeno y se libera agua. Energía de fusión nuclear • Esta energía aún está en fase de investigación básica. • La fusión es la unión de núcleos ligeros para dar otro más pesado, liberando gran cantidad de energía, como ocurre en el Sol. • Para la fusión, se eligen elementos que den residuos no radiactivos y que sean abundantes. Por ejemplo: Deuterio + tritio = helio + neutrones + muchísima energía Ventajas: • No genera residuos radioactivos. • Se gastan cantidades muy pequeñas de deuterio y de tritio. Por ejemplo, para obtener la electricidad que gasta una persona en toda su vida, harían falta 10g de deuterio extraídos de 500l de agua y 15g de tritio extraídos de 30g de litio. Fusión nuclear La fusión sólo puede darse si los núcleos se acercan 1000 veces más de la distancia normal, lo que requiere temperaturas altísimas: 10 millones de grados C en el sol y 100 millones en la Tierra, por la diferencia de gravedad. A estas temperaturas, los átomos están en estado de plasma, que está formado por sólo los núcleos, sin electrones, y tiene carga +. No existen materiales que puedan contener un plasma: debe almacenarse en “botellas magnéticas” (donde queda confinado gracias a fuertes campos electromagnéticos). Uso eficiente de la energía Las medidas aplicadas para el ahorro de energía son: • Cogeneración. • Aumentar la eficiencia del sistema energético. • Valorar el coste real de la energía. • Valorar los costes ocultos. • Reducir el consumo. • Medidas personales de ahorro. Cogeneración Procesos de producción combinada de dos formas de energía a partir de un único combustible. • Permite utilizar prácticamente el 90% de la energía del combustible. Medidas relacionadas con el uso de la energía 1. Aumentar la eficiencia del sistema eléctrico. Actualmente se pierde un 66% de la energía durante el transporte, es decir, que hay que generar el triple de energía de la que consumimos. 2. Incentivar el ahorro: subvencionar aparatos que consuman menos y hacer auditorías para detectar pérdidas de energía. 3. Valorar el coste real de la energía que consumimos: Coste del ciclo de vida = precio del aparato + (gasto anual de energía x tiempo de vida estimado) Sirve para valorar el ahorro que implica su uso. 4. Valorar los costes ocultos de la energía: meter en el precio de la energía que se consume todos los gastos derivados de su generación (descontaminar, calentamiento climático, accidentes nucleares, tratamiento de residuos…) Medidas relacionadas con el uso de la energía 5. Reducir el consumo por sectores: 40% Transporte (turismos) 32% Industria (química, procesado de cemento, vidrio…) 16% Doméstica (calefacción, agua caliente) 6. Medidas de ahorro personales: –Usar más es transporte público que el privado. –Arquitectura solar pasiva (aislamientos…) –Comprar electrodomésticos de bajo consumo. – Reciclar el vidrio, papel…