Tema 01
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Tema 1. Producción y transformación de las distintas formas de energía.
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Tema 1. Producción y transformación de las distintas formas de energía.
1. Introducción.
2. Concepto y unidades de energía.
4.2. Las fuentes de energías renovables. 4.2.1. La energía hidráulica. ◘ Las centrales hidráulicas. 4.2.2. La energía solar. ◘ La conversión térmica. ◘ La conversión fotovoltaica. 4.2.3. La energía eólica. 4.2.4. La biomasa. 4.2.5. La energía geotérmica. 4.3.6. La energía oceánica. ◘ La energía mareomotriz. ◘ La energía térmica de los océanos. ◘ La energía de las olas. 5. La transformación de las distintas formas de energía.
Bibliografía Las fuentes de energía. El cuaderno de la energía Tecnología Industrial I. Tecnología Industrial I.
4. Las fuentes de energía. 4.1. Las fuentes de energías no renovables. 4.1.1. El carbón. ◘ Los tipos de carbón. ◘ La extracción del carbón. ◘ Los tratamientos del carbón. ◘ Los tecnologías limpias del carbón. ◘ La central termoeléctrica. 4.1.2. El petróleo. ◘ La extracción del petróleo. ◘ Los tratamientos del petróleo. 4.1.3. El gas natural. 4.1.4. La energía nuclear. ◘ Las reacciones de fisión. ◘ Las reacciones de fusión. ◘ La central nuclear.
Ed. Marcombo. Ed. McGraw-Hill. Ed. Edebé. Ed. Santillana
3. Las formas de energía. 3.1. La energía mecánica. 3.2. La energía eléctrica. 3.3. La energía térmica. 3.4. La energía química. 3.5. La energía electromagnética. 3.6. La energía nuclear.
Tema 1. Producción y transformación de las distintas formas de energía.
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Tema 1. Producción y transformación de las distintas formas de energía.
1. Introducción. El hombre siempre ha visto a las fuerzas de la naturaleza como seres superiores a los que ha respetado y adorado, pero poco a poco ha aprendido ha utilizarlas en su beneficio. La primera forma de energía aprovechada por el hombre fue la energía térmica, concretamente el fuego, que le permitió cocinar los alimentos, calentarse y ahuyentar a las fieras. Posteriormente aprendió a ahorrar energía mecánica gracias a la invención de la rueda y la domesticación de animales. En el Neolítico el hombre se asentó cerca de los ríos, lagos y mares lo que permitió aprovechar la energía hidráulica mediante la construcción de norias y molinos de agua y aprovechar la energía eólica mediante la construcción de molinos de viento y barcos de vela. La Revolución Industrial supuso un cambio en el desarrollo energético debido a la invención y utilización de la máquina de vapor. Posteriormente se produjeron cambios en los medios de transporte debido a la invención del motor de explosión y actualmente la energía nuclear ha cobrado especial importancia. El consumo ha crecido considerablemente desde la Revolución Industrial de forma que las reservas energéticas están agotándose a la vez que se daña el medio ambiente, por eso se están estudiando energías alternativas que nos van permitir en un futuro, seguir manteniendo los niveles de consumo energéticos actuales sin perjudicar el medio ambiente.
2. Concepto y unidades de energía. La energía es la capacidad que tienen los cuerpos para crear trabajo. En el S.I. la unidad de energía es el Julio (J), que es el trabajo que tiene que realizar una fuerza de 1N para desplazar su punto de aplicación 1 m en la misma dirección. En Física Nuclear la energía es el electronvoltio (eV), definido como la energía que adquiere un electrón cuando pasa de un punto a otro donde hay una diferencia de 1 V. En economía energética la unidad de medida son las Kcal/Kg o también se mide en toneladas equivalentes de carbón (tec) o en toneladas equivalentes de petróleo (tep).
Tema 1. Producción y transformación de las distintas formas de energía.
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3. Las formas de energía. La energía se manifiesta en forma de e. mecánica, e. eléctrica, e. térmica, e. química, e. electromagnética y e. nuclear. 3.1. La energía mecánica. La energía mecánica es la energía que poseen los cuerpos como consecuencia del movimiento o de las causas que lo originan. La energía mecánica es un compendio de energía cinética y energía potencial. 1 La energía cinética es la e. que se debe al movimiento, siendo su ecuación Ec = ·m·v 2 . 2 La energía potencial es la e. que posee un cuerpo como consecuencia de encontrarse en una posición de un campo vectorial, pudiendo ser el campo vectorial gravitatorio, eléctrico o magnético. Por ejemplo, la ecuación de energía potencial en el campo gravitatorio es ∆Ep=m·g·∆h.
3.2. La energía eléctrica. La energía eléctrica es la energía que poseen las partículas cargadas eléctricamente, siendo asociada normalmente a la corriente eléctrica, que se produce debido a la circulación de cargas a través de un conductor. La energía eléctrica se caracteriza por su facilidad para ser transportada y transformada en otros tipos de energía.
3.3. La energía térmica. La energía térmica es la energía que poseen los cuerpos debido al movimiento vibratorio de sus partículas, de forma que, cuanto mayor es la energía térmica mayor es la vibración de sus partículas. La e. térmica se transfiere por conducción, convección o radiación. La conducción transfiere la e. térmica por contacto entre cuerpos. La convección transfiere la e. térmica mediante corrientes ascendentes de partículas a mayor temperatura y corrientes descendentes de partículas a menor temperatura debido a que la densidad depende de la temperatura. La radiación transfiere la e. térmica por la emisión de las superficies de los cuerpos de ondas electromagnéticas, como por ejemplo sucede en el Sol.
3.4. La energía química. La energía química es la energía que se desprenden cuando reaccionan uno o más reactivos para dar uno o más productos. Un ejemplo de aprovechamiento de la energía química la realiza el hombre mediante la digestión cuando extrae la energía presente en los enlaces de las moléculas de los alimentos. 3.5. La energía electromagnética. La energía electromagnética es la energía transmitida en forma de ondas electromagnéticas a la velocidad de la luz. 3.6. La energía nuclear. La energía nuclear es la energía contenida en los átomos de los núcleos. La energía se produce mediante las reacciones de fusión convirtiendo la materia en energía E = m·c 2 debido a que la producción de energía por reacciones de fisión no esta desarrollada a nivel industrial.
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4. Las fuentes de energía. Las fuentes de energía son aquellos recursos susceptibles de proporcionar energía. Las reservas de energía son fuentes de energía cuya energía puede ser explotada desde un punto de vista tecnológico con las técnicas adecuadas con rentabilidad económica, es decir, la energía producida tiene que ser mayor que la consumida. Las fuentes de e. se clasifican en f.e. renovables, que son aquellas que se producen de forma continua por si solas la naturaleza y f.e. no renovables, que son aquellas que se encuentran de forma limitada en la naturaleza.
4.1. Las fuentes de energías no renovables. Las energías no renovables son las que proceden la energía nuclear y de los combustibles fósiles, principalmente, carbón, petróleo y gas natural. Los combustibles fósiles son cadenas de átomos de C e H cada vez más largas que se han elaborado a partir de restos vegetales y organismos vivos sepultados sometidas a microorganismos, grandes presiones y altas temperaturas durante miles de años.
4.1.1. El carbón. El carbón es una roca combustible de origen sedimentario con un gran contenido en carbono, formada a partir de restos de vida vegetal sometidos a grandes presiones y temperaturas. ◘ Los tipos de carbón. Los principales tipos de carbón son la antracita, la hulla, el lignito y la turba. La antracita se generó en las eras primaria y secundaria, tienen un contenido de C del 90 %, un poder calorífico de 8500 Kcal/Kg por lo que se emplea en centrales termoeléctricas. La hulla se generó en las eras primaria y secundaria, tienen un contenido de C del 85 %, un poder calorífico de 7000-8500 Kcal/Kg por lo que se emplea en centrales termoeléctricas y en siderurgia. El lignito se generó en las eras secundaria y terciaria, tienen un contenido de C del 50 %, un poder calorífico de 6000 Kcal/Kg por lo que se emplea en centrales termoeléctricas. La turba es un carbón joven que contienen mucha humedad, con un contenido de C del 50 %, un poder calorífico de 1500 Kcal/Kg empleándose en agricultura como sustrato. La antracita tienen el mayor contenido en C porque al encontrarse a mayor profundidad ha estado sometido mayor tiempo a mayores presiones y temperaturas, lo que facilita que el O e H se elimine con mayor facilidad.
◘ La extracción del carbón. La extracción del carbón se realiza en yacimientos a cielo abierto o yacimientos profundos. Los yacimientos a cielo abierto tienen el carbón relativamente superficial, por lo tienen la ventaja de poder mecanizar su extracción disminuyendo los costes de extracción y la desventaja generar un gran impacto visual. Los yacimientos profundos tienen la veta de carbón a profundidades mayores de 200 m. debajo de la superficie, procediendo a su extracción mediante la construcción de galerías y túneles que nos conducen a las vetas.
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◘ Los tratamientos del carbón. Los tratamientos del carbón son la aglomeración, la gasificación y la coquización. La aglomeración es un proceso consiste en la realización de trozos uniformes y homogéneos para mejorar la combustión para uso doméstico o como combustible de centrales térmicas. La gasificación se emplea para producir combustibles gaseosos o fabricar productos pretroleros por licuefacción, hasta el punto, que la licuefacción del carbón en Sudafrica cubre todas las necesidades petrolíferas. La coquización consiste en la producción de coque, que es un producto poroso con un contenido de C del 92 % y el resto cenizas obtenido por la destilación de la materia volátil del carbón en modernos hornos de colmenas.
◘ Los tecnologías limpias del carbón. Las tecnologías limpias de carbón son una nueva generación de procesos avanzados que modifican la estructura básica del carbón antes, durante o después de la combustión mejorando la eficiencia energética y disminuyendo las emisiones de impurezas de azufre y óxido de nitrógeno. Las tecnologías limpias de carbón más importantes son los métodos mejorados de limpieza del carbón, la combustión en lecho fluido y la desulfuración avanzada de los gases de la combustión.
◘ La central termoeléctrica. La central termoeléctrica es la instalación donde se extrae la energía térmica de un combustible, generalmente carbón, que le transfiere la energía térmica a un fluido, que mueve una turbina conectada a un generador. El fluido empleado en mover la turbina puede ser vapor de agua a gran presión en una caldera o los gases procedentes de la combustión, clasificando las centrales termoeléctricas en centrales de vapor o en centrales de gas. La central de vapor emplea como combustibles el carbón o el petróleo. Las centrales de gas pueden ser de ciclo cerrado o abierto.
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4.1.2. El petróleo. El petróleo es una mezcla de hidrocarburos gaseosos, líquidos y sólidos que tiene una densidad que varía desde ¾ hasta la densidad del agua. El petróleo se formó primero por descomposición aerobia de grandes masas vegetales y animales, posteriormente por descomposición anaerobia de los restos y finalmente por la acción de la presión y la temperatura.
◘ La extracción del petróleo. La extracción del petróleo se realiza por recuperación primaria, por recuperación secundaria o por recuperación terciaria. La recuperación primaria se realiza al principio cuando el petróleo sale al exterior debido a la diferencia de presión entre la atmósfera y la bolsa que se encuentra a presión. La recuperación secundaria es intermedia, se produce cuando se inyecta el gas que se extrae del pozo y agua a presión para mantener la presión en el pozo. La recuperación terciaria se produce al final, de forma que, para extraer al petróleo se procede a inyectar disolventes o aumentar la temperatura del pozo mediante la combustión de oxigeno o aire disminuyendo su viscosidad.
◘ Los tratamientos del petróleo. El petróleo se somete a destilación fraccionada para obtener los diversos combustibles, que posteriormente se someten a reformado, craqueado, síntesis y depuración. El reformado se modifica la estructura molecular de un combustible elevando generalmente el octanaje. El craqueado produce gasolina por rotura de moléculas de combustibles más pesados. La síntesis produce gasolina por unión de moléculas de combustibles más ligeros. La depuración elimina las impurezas para proceder a su comercialización.
4.1.3. El gas natural. El gas natural es una mezcla de hidrocarburos saturados gaseosos como el metano, etano, propano y butano e hidrocarburos saturados líquidos como el pentano y el hexano, aunque el metano constituye aproximadamente el 75 % del gas natural. El 75 % del gas natural se encuentra libre y el 25 % del gas natural restante se encuentra asociado al petróleo, estimándose que en la mayoría de los casos la formación del gas natural fue posterior al petróleo, separándose del petróleo por migraciones por grietas debido a la presión. El gas natural presenta la desventaja de tener coste técnico de transporte elevado y la ventaja de ser una energía relativamente limpia que no necesita ser transformada.
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4.1.4. La energía nuclear. La energía nuclear la podemos definir como la energía contenida en un átomo que se desprende durante una reacción nuclear. La energía nuclear se puede obtener mediante reacciones de fisión o de la fusión.
◘ Las reacciones de fisión. Las reacciones de fisión producen la desintegración de un núcleo pesado con un neutrón ( 01 n ) produciendo dos átomos más ligeros, 2,5 neutrones que provocan una reacción en cadena y liberando una gran cantidad de energía. La energía se produce debido a un hecho conocido como defecto de masa descubierto al comprobar que masa de un átomo es menor que la suma de la masa de sus partículas por separado, que fue interpretado por Albert Einstein como una transformación de masa de las partículas en energía cuando se formó el átomo, por lo tanto, cuando se rompe el átomo se pensó que energía podía ser liberada y aprovechada. Así Einstein enuncio que E = m·c 2 Las reacciones de fisión se llevan a nivel industrial en los reactores nucleares a partir de elementos radiactivos como el plutonio, uranio o torio.
◘ Las reacciones de fusión. Las reacciones de fusión consiste en la unión de dos núcleos ligeros para producir un átomo más pesado, por ejemplo, se une un isótopo del hidrógeno llamado deuterio ( 12 H ) con otro isótopo del hidrógeno llamado tritio ( 13 H ) para dar un núcleo de helio ( 24 He ) con la emisión de un neutrón y energía. Las reacciones de fisión a nivel industrial están en fase de desarrollo, puesto que la energía que hay que invertir en crear las condiciones idóneas de muy altas temperaturas para que tenga lugar la reacción, no se compensa con la energía obtenida.
◘ Las centrales nucleares. Las centrales nucleares transforman la e. nuclear en e. térmica que a su vez se transforma en e. eléctrica. Una central nuclear está constituida básicamente por un reactor, un turbogenerador y un condensador. El reactor es un edificio blindado de acero y hormigón donde se realiza la combustión del combustible radiactivo, que genera el calor necesario para evaporar el agua que mueve el turbogenerador. El reactor puede ser de agua a presión (PWR) o de agua a ebullición (BWR). ● El reactor de agua a presión (PWR) dispone de dos circuitos, uno conocido como primario que esta en contacto con el combustible y que contiene al moderador y refrigerante a alta presión para que no pasen a estado gaseoso, que mediante un intercambiador transfiere el calor a un circuito secundario que mueve la turbina y condensa el vapor mediante un condensador de agua, normalmente cerca de un río, etc.
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● El reactor de agua a ebullición (BWR) es similar solo que hay un único circuito, de forma que el agua refrigerante es el que mueve la turbina, con la ventaja de un menor coste y algún inconveniente como que la turbina se encuentra contaminada y requiere precauciones especiales ante manipulaciones. El reactor contiene un moderador, un refrigerante y las barras de control. El moderador frena los neutrones para continuar con la reacción en cadena, pues solo los neutrones lentos producen nuevas fisiones, siendo el moderador agua, agua pesada (los átomos de H en forma de deuterio) o carbono. El refrigerante impide que se funda el reactor, empleando como refrigerante agua, agua pesada, potasio, dióxido de carbono, aire o helio. Las barras de control absorben los neutrones controlando el nº de reacciones, es decir la reacción en cadena, se fabrica de cadmio o boro El turbogenerador transforma la energía térmica contenida en el vapor en energía eléctrica. El condensador condensa el vapor de agua para volver a ser empleada en el ciclo.
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4.2. Las fuentes de energías renovables. Las fuentes de energías renovables son la e. hidráulica, e. solar, e. eólica, biomasa, e. geotérmica y e. oceánica. 4.2.1. La energía hidráulica. La e. hidráulica es la e. que se obtiene de la e. mecánica mediante la construcción de una central hidroeléctrica que permite la transformación de la energía mecánica hidráulica a energía mecánica en los alabes de una turbina y a energía eléctrica en el generador que pasa a la red. La e. hidráulica esta sujeta a condicionantes naturales de tipo climático, hidrológico o topográfico.
◘ Las centrales hidráulicas. Las centrales se clasifican en fluyentes o de pie de presa. Las centrales fluyentes no requieren un embalse, simplemente la turbina es accionada por la corriente de agua, estas centrales se ubican en ríos caudalosos con gran pendiente. Las centrales de pie de presa son aquellas en las que se embalsa el agua mediante un muro de contención constituyendo una presa, que permite embalsar el agua en altura que generando una energía potencial, que se transforma en energía mecánica y a su vez en eléctrica en el pie de presa donde se sitúa una central hidroeléctrica. Las presas presentan las ventajas de reducir el riesgo de avenidas y ser una reserva de agua durante el estiaje prolongado y el inconveniente de causar un gran impacto ambiental. Las centrales de energía nuclear pueden tener tamaños diversos, desde minicentrales de 5 MW hasta macrocentrales mayores a 5 MW.
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4.2.2. La energía solar. La energía solar es la energía procedente de las radiaciones generadas en el sol que nos llegan a la tierra. La energía solar se caracteriza por ser dispersa e intermitente necesitando instalaciones caras que causan un gran impacto ambiental. La energía solar es dispersa puesto que para obtener cantidades grandes de e. es necesario captarla en superficies muy grandes, puesto que el ratio de energía por m2 de insolación es bajo. La energía solar es intermitente porque la cantidad de iluminación depende de la hora del día, la época del año, del tiempo atmosférico, etc. La e. solar se aprovecha mediante conversión térmica y conversión fotovoltaica.
◘ La conversión térmica. La conversión térmica son técnicas de transformación de energía solar a energía térmica, que según la temperatura alcanzada por el sistema puede ser conversión térmica a baja, media o alta temperatura. La conversión térmica a baja temperatura produce agua caliente sanitaria por efecto invernadero en serpentines negros.
La conversión térmica a media temperatura produce agua caliente al tener unos colectores que reflejan la radiación solar sobre un receptor de superficie reducida por el que circula agua que puede alcanzar unas temperaturas intermedias de 300 ºC.
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La conversión a altas temperatura genera temperaturas térmicas altas de 6.000 ºC en Hornos solares o Centrales solares. Los Hornos solares son numerosos helióstatos que concentran los rayos solares en un punto que alcanza una alta temperatura donde se coloca un material, una aplicación del horno solar, es la experimentación de materiales. Las Centrales solares son numerosos helióstatos que concentran los rayos solares en una torre central donde evapora agua para mover un turbogenererador.
◘ La conversión fotovoltaica. La Conversión fotovoltaica consiste en la transformación de la luz procedente de la energía solar en e. eléctrica en células solares fotovoltaicas fabricadas de material semiconductor (Si). La conversión fotovoltaica se caracteriza por tener un bajo rendimiento que no supera nunca el 25 % produciendo voltajes pequeños, pues para obtenerlos altos hay que colocar varias células en serie.
4.2.3. La energía eólica La energía eólica es la e. obtenida de la energía mecánica del viento. La energía eólica se caracteriza por ser cambiante en dirección e intensidad de forma impredecible que tiene la ventaja de causar bajo impacto ambiental. La e. se aprovecha con aerobombas y aerogeneradores. La aerobomba transforma la energía mecánica del aire en energía mecánica en un eje. El aerogenerador transforma la energía mecánica del aire en energía eléctrica cuando el viento mueve unas hélices acopladas a un generador. El generador esta constituido de tres partes, la hélice, la navecilla y la torre. La potencia producida por un generador (W) es directamente 1 proporcional al producto de un medio por la densidad del aire (Kg./m3) P = ·ρ · A·v 3 ·Cp 2 2 por el área de captación del rotor (m ) por la velocidad del viento (m/s) y por el coeficiente de aprovechamiento de la máquina (0,1-0,45). En España se podría suministrar el 10% de e. eléctrica producida a partir de e. eólica.
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4.2.4. La biomasa La biomasa son los vegetales terrestres o acuáticos de crecimiento espontáneo o cultivado, los residuos agrícolas y forestales y algunos residuos urbanos e industriales, como por ejemplo, excrementos, orines y restos de alimentos que se emplean para la obtención de e. por combustión directa o formando parte de biocombustibles. La combustión directa de biomasa presenta es una energía limpia puesto que se libera el C fijado anteriormente por las plantas y permite el aprovechamiento de residuos, especialmente los residuos sólidos urbanos RSU con un poder calorífico Pc > 1000 Kcal/Kg. La e. liberada por la biomasa en combustión directa es directamente E = Pc ·m proporcional al producto del poder calorífico (Kcal/Kg) por la masa (Kg). Los biocombustibles son cualquier combustible sólido, líquido o gaseoso producido a partir de biomasa, por combustión de desechos orgánicos secos, por fermentación de desechos húmedos para producir biogás o por fermentación de azúcares producir alcohol y éteres. La Unión Europea permite que un 5% de etanol se añada a los combustibles fósiles y en Brasil una cuarta parte del combustible utilizado en transporte procede del etanol.
4.2.5. La energía geotérmica. La energía geotérmica es la energía obtenida de un yacimiento geotérmico, aumentando la temperatura en 30 ºC por Km. conforme se avanza al centro de la tierra. El yacimiento geotérmico se puede definir como un volumen de roca con temperatura anormalmente elevada, de forma que esta tª puede ser absorbida por el agua. La e. geotérmica tiene un alto potencial, aunque su aprovechamiento resulta difícil pues normalmente solo se emplea en zonas próximas al yacimiento.
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4.3.6. La energía oceánica. El mar proporciona tres tipos de energías siendo estas la e. mareomotriz, la e. térmica de los océanos y la e. de las olas. ◘ La energía mareomotriz. La energía mareomotriz es la energía originadas por la atracción entre el Sol y la Luna obtenida a partir de la diferencia de alturas entre las mareas, que causa un gran impacto medioambiental. La explotación energética se realiza en estuarios o entradas de mar hacia tierra, de forma que mediante unas compuertas se aísla la marea para pasar agua por unas turbinas reversibles en las dos direcciones. Un ejemplo de central mareomotriz está en La Rance (Francia).
◘ La energía térmica de los océanos. La energía térmica de los océanos consiste en la extracción de energía debido a la diferencia de tª que hay entre las capas superficiales y profundas de los océanos. Debido a la escasa diferencia de temperatura entre las capas superficiales y profundas para aprovechar la energía térmica hay que emplear fluidos con bajos puntos de ebullición.
◘ La energía de las olas. La energía de las olas es la obtención de energía mediante la compresión de un fluido que acciona una turbina por parte de las olas. Los inconvenientes es que las olas son aleatorias y de amplitud variables. Los japoneses han desarrollado un sistema llamado Kaimei, que consiste en un barco flotante con una cámara de aire en su parte inferior en contacto con unas turbinas, de forma que, al moverse, las olas comprimen o succionan aire de la cámara, provocando el giro de la turbina.
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5. La transformación de las distintas formas de energía. La transformación de la e. se basa en el 1º principio de la termodinámica que enuncia que “la energía no se crea ni se destruye solo se transforma” En la práctica ninguna transformaciones se realiza con un 100% de rendimiento, pues siempre se producen unas perdidas de energía, como puede ser el trabajo de rozamiento en los pistones de un motor, o las perdidas por calentamiento de un alternador, etc. El rendimiento de una transformación viene dado por la expresión:
η=
Trabajo realizado Energía aportada
Las transformaciones energéticas son: E. mecánica: e. eléctrica y térmica. E. eléctrica: e. mecánica, térmica, química, radiante y luminosa. E. térmica: e. mecánica, eléctrica, química y radiante. E. química: e. mecánica, térmica, eléctrica y radiante. E. radiante: e. térmica, eléctrica y química. E. nuclear: e. térmica. NUCLEAR
RADIANTE
TÉRMICAR
ELÉCTRICA
QUÍMICA
MECÁNICA
Conclusiones
Bibliografía Las fuentes de energía. El cuaderno de la energía Tecnología Industrial I. Tecnología Industrial I.
Ed. Marcombo. Ed. McGraw-Hill. Ed. Edebé. Ed. Santillana
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1. Introducción.
2. Concepto y unidades de energía.
4.2. Las fuentes de energías renovables. 4.2.1. La energía hidráulica. ◘ Las centrales hidráulicas. 4.2.2. La energía solar. ◘ La conversión térmica. ◘ La conversión fotovoltaica. 4.2.3. La energía eólica. 4.2.4. La biomasa. 4.2.5. La energía geotérmica. 4.3.6. La energía oceánica. ◘ La energía mareomotriz. ◘ La energía térmica de los océanos. ◘ La energía de las olas. 5. La transformación de las distintas formas de energía.
Bibliografía Las fuentes de energía. El cuaderno de la energía Tecnología Industrial I. Tecnología Industrial I.
4. Las fuentes de energía. 4.1. Las fuentes de energías no renovables. 4.1.1. El carbón. ◘ Los tipos de carbón. ◘ La extracción del carbón. ◘ Los tratamientos del carbón. ◘ Los tecnologías limpias del carbón. ◘ La central termoeléctrica. 4.1.2. El petróleo. ◘ La extracción del petróleo. ◘ Los tratamientos del petróleo. 4.1.3. El gas natural. 4.1.4. La energía nuclear. ◘ Las reacciones de fisión. ◘ Las reacciones de fusión. ◘ La central nuclear.
Ed. Marcombo. Ed. McGraw-Hill. Ed. Edebé. Ed. Santillana
3. Las formas de energía. 3.1. La energía mecánica. 3.2. La energía eléctrica. 3.3. La energía térmica. 3.4. La energía química. 3.5. La energía electromagnética. 3.6. La energía nuclear.
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1. Introducción. El hombre siempre ha visto a las fuerzas de la naturaleza como seres superiores a los que ha respetado y adorado, pero poco a poco ha aprendido ha utilizarlas en su beneficio. La primera forma de energía aprovechada por el hombre fue la energía térmica, concretamente el fuego, que le permitió cocinar los alimentos, calentarse y ahuyentar a las fieras. Posteriormente aprendió a ahorrar energía mecánica gracias a la invención de la rueda y la domesticación de animales. En el Neolítico el hombre se asentó cerca de los ríos, lagos y mares lo que permitió aprovechar la energía hidráulica mediante la construcción de norias y molinos de agua y aprovechar la energía eólica mediante la construcción de molinos de viento y barcos de vela. La Revolución Industrial supuso un cambio en el desarrollo energético debido a la invención y utilización de la máquina de vapor. Posteriormente se produjeron cambios en los medios de transporte debido a la invención del motor de explosión y actualmente la energía nuclear ha cobrado especial importancia. El consumo ha crecido considerablemente desde la Revolución Industrial de forma que las reservas energéticas están agotándose a la vez que se daña el medio ambiente, por eso se están estudiando energías alternativas que nos van permitir en un futuro, seguir manteniendo los niveles de consumo energéticos actuales sin perjudicar el medio ambiente.
2. Concepto y unidades de energía. La energía es la capacidad que tienen los cuerpos para crear trabajo. En el S.I. la unidad de energía es el Julio (J), que es el trabajo que tiene que realizar una fuerza de 1N para desplazar su punto de aplicación 1 m en la misma dirección. En Física Nuclear la energía es el electronvoltio (eV), definido como la energía que adquiere un electrón cuando pasa de un punto a otro donde hay una diferencia de 1 V. En economía energética la unidad de medida son las Kcal/Kg o también se mide en toneladas equivalentes de carbón (tec) o en toneladas equivalentes de petróleo (tep).
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3. Las formas de energía. La energía se manifiesta en forma de e. mecánica, e. eléctrica, e. térmica, e. química, e. electromagnética y e. nuclear. 3.1. La energía mecánica. La energía mecánica es la energía que poseen los cuerpos como consecuencia del movimiento o de las causas que lo originan. La energía mecánica es un compendio de energía cinética y energía potencial. 1 La energía cinética es la e. que se debe al movimiento, siendo su ecuación Ec = ·m·v 2 . 2 La energía potencial es la e. que posee un cuerpo como consecuencia de encontrarse en una posición de un campo vectorial, pudiendo ser el campo vectorial gravitatorio, eléctrico o magnético. Por ejemplo, la ecuación de energía potencial en el campo gravitatorio es ∆Ep=m·g·∆h.
3.2. La energía eléctrica. La energía eléctrica es la energía que poseen las partículas cargadas eléctricamente, siendo asociada normalmente a la corriente eléctrica, que se produce debido a la circulación de cargas a través de un conductor. La energía eléctrica se caracteriza por su facilidad para ser transportada y transformada en otros tipos de energía.
3.3. La energía térmica. La energía térmica es la energía que poseen los cuerpos debido al movimiento vibratorio de sus partículas, de forma que, cuanto mayor es la energía térmica mayor es la vibración de sus partículas. La e. térmica se transfiere por conducción, convección o radiación. La conducción transfiere la e. térmica por contacto entre cuerpos. La convección transfiere la e. térmica mediante corrientes ascendentes de partículas a mayor temperatura y corrientes descendentes de partículas a menor temperatura debido a que la densidad depende de la temperatura. La radiación transfiere la e. térmica por la emisión de las superficies de los cuerpos de ondas electromagnéticas, como por ejemplo sucede en el Sol.
3.4. La energía química. La energía química es la energía que se desprenden cuando reaccionan uno o más reactivos para dar uno o más productos. Un ejemplo de aprovechamiento de la energía química la realiza el hombre mediante la digestión cuando extrae la energía presente en los enlaces de las moléculas de los alimentos. 3.5. La energía electromagnética. La energía electromagnética es la energía transmitida en forma de ondas electromagnéticas a la velocidad de la luz. 3.6. La energía nuclear. La energía nuclear es la energía contenida en los átomos de los núcleos. La energía se produce mediante las reacciones de fusión convirtiendo la materia en energía E = m·c 2 debido a que la producción de energía por reacciones de fisión no esta desarrollada a nivel industrial.
Tema 1. Producción y transformación de las distintas formas de energía.
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4. Las fuentes de energía. Las fuentes de energía son aquellos recursos susceptibles de proporcionar energía. Las reservas de energía son fuentes de energía cuya energía puede ser explotada desde un punto de vista tecnológico con las técnicas adecuadas con rentabilidad económica, es decir, la energía producida tiene que ser mayor que la consumida. Las fuentes de e. se clasifican en f.e. renovables, que son aquellas que se producen de forma continua por si solas la naturaleza y f.e. no renovables, que son aquellas que se encuentran de forma limitada en la naturaleza.
4.1. Las fuentes de energías no renovables. Las energías no renovables son las que proceden la energía nuclear y de los combustibles fósiles, principalmente, carbón, petróleo y gas natural. Los combustibles fósiles son cadenas de átomos de C e H cada vez más largas que se han elaborado a partir de restos vegetales y organismos vivos sepultados sometidas a microorganismos, grandes presiones y altas temperaturas durante miles de años.
4.1.1. El carbón. El carbón es una roca combustible de origen sedimentario con un gran contenido en carbono, formada a partir de restos de vida vegetal sometidos a grandes presiones y temperaturas. ◘ Los tipos de carbón. Los principales tipos de carbón son la antracita, la hulla, el lignito y la turba. La antracita se generó en las eras primaria y secundaria, tienen un contenido de C del 90 %, un poder calorífico de 8500 Kcal/Kg por lo que se emplea en centrales termoeléctricas. La hulla se generó en las eras primaria y secundaria, tienen un contenido de C del 85 %, un poder calorífico de 7000-8500 Kcal/Kg por lo que se emplea en centrales termoeléctricas y en siderurgia. El lignito se generó en las eras secundaria y terciaria, tienen un contenido de C del 50 %, un poder calorífico de 6000 Kcal/Kg por lo que se emplea en centrales termoeléctricas. La turba es un carbón joven que contienen mucha humedad, con un contenido de C del 50 %, un poder calorífico de 1500 Kcal/Kg empleándose en agricultura como sustrato. La antracita tienen el mayor contenido en C porque al encontrarse a mayor profundidad ha estado sometido mayor tiempo a mayores presiones y temperaturas, lo que facilita que el O e H se elimine con mayor facilidad.
◘ La extracción del carbón. La extracción del carbón se realiza en yacimientos a cielo abierto o yacimientos profundos. Los yacimientos a cielo abierto tienen el carbón relativamente superficial, por lo tienen la ventaja de poder mecanizar su extracción disminuyendo los costes de extracción y la desventaja generar un gran impacto visual. Los yacimientos profundos tienen la veta de carbón a profundidades mayores de 200 m. debajo de la superficie, procediendo a su extracción mediante la construcción de galerías y túneles que nos conducen a las vetas.
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◘ Los tratamientos del carbón. Los tratamientos del carbón son la aglomeración, la gasificación y la coquización. La aglomeración es un proceso consiste en la realización de trozos uniformes y homogéneos para mejorar la combustión para uso doméstico o como combustible de centrales térmicas. La gasificación se emplea para producir combustibles gaseosos o fabricar productos pretroleros por licuefacción, hasta el punto, que la licuefacción del carbón en Sudafrica cubre todas las necesidades petrolíferas. La coquización consiste en la producción de coque, que es un producto poroso con un contenido de C del 92 % y el resto cenizas obtenido por la destilación de la materia volátil del carbón en modernos hornos de colmenas.
◘ Los tecnologías limpias del carbón. Las tecnologías limpias de carbón son una nueva generación de procesos avanzados que modifican la estructura básica del carbón antes, durante o después de la combustión mejorando la eficiencia energética y disminuyendo las emisiones de impurezas de azufre y óxido de nitrógeno. Las tecnologías limpias de carbón más importantes son los métodos mejorados de limpieza del carbón, la combustión en lecho fluido y la desulfuración avanzada de los gases de la combustión.
◘ La central termoeléctrica. La central termoeléctrica es la instalación donde se extrae la energía térmica de un combustible, generalmente carbón, que le transfiere la energía térmica a un fluido, que mueve una turbina conectada a un generador. El fluido empleado en mover la turbina puede ser vapor de agua a gran presión en una caldera o los gases procedentes de la combustión, clasificando las centrales termoeléctricas en centrales de vapor o en centrales de gas. La central de vapor emplea como combustibles el carbón o el petróleo. Las centrales de gas pueden ser de ciclo cerrado o abierto.
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4.1.2. El petróleo. El petróleo es una mezcla de hidrocarburos gaseosos, líquidos y sólidos que tiene una densidad que varía desde ¾ hasta la densidad del agua. El petróleo se formó primero por descomposición aerobia de grandes masas vegetales y animales, posteriormente por descomposición anaerobia de los restos y finalmente por la acción de la presión y la temperatura.
◘ La extracción del petróleo. La extracción del petróleo se realiza por recuperación primaria, por recuperación secundaria o por recuperación terciaria. La recuperación primaria se realiza al principio cuando el petróleo sale al exterior debido a la diferencia de presión entre la atmósfera y la bolsa que se encuentra a presión. La recuperación secundaria es intermedia, se produce cuando se inyecta el gas que se extrae del pozo y agua a presión para mantener la presión en el pozo. La recuperación terciaria se produce al final, de forma que, para extraer al petróleo se procede a inyectar disolventes o aumentar la temperatura del pozo mediante la combustión de oxigeno o aire disminuyendo su viscosidad.
◘ Los tratamientos del petróleo. El petróleo se somete a destilación fraccionada para obtener los diversos combustibles, que posteriormente se someten a reformado, craqueado, síntesis y depuración. El reformado se modifica la estructura molecular de un combustible elevando generalmente el octanaje. El craqueado produce gasolina por rotura de moléculas de combustibles más pesados. La síntesis produce gasolina por unión de moléculas de combustibles más ligeros. La depuración elimina las impurezas para proceder a su comercialización.
4.1.3. El gas natural. El gas natural es una mezcla de hidrocarburos saturados gaseosos como el metano, etano, propano y butano e hidrocarburos saturados líquidos como el pentano y el hexano, aunque el metano constituye aproximadamente el 75 % del gas natural. El 75 % del gas natural se encuentra libre y el 25 % del gas natural restante se encuentra asociado al petróleo, estimándose que en la mayoría de los casos la formación del gas natural fue posterior al petróleo, separándose del petróleo por migraciones por grietas debido a la presión. El gas natural presenta la desventaja de tener coste técnico de transporte elevado y la ventaja de ser una energía relativamente limpia que no necesita ser transformada.
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4.1.4. La energía nuclear. La energía nuclear la podemos definir como la energía contenida en un átomo que se desprende durante una reacción nuclear. La energía nuclear se puede obtener mediante reacciones de fisión o de la fusión.
◘ Las reacciones de fisión. Las reacciones de fisión producen la desintegración de un núcleo pesado con un neutrón ( 01 n ) produciendo dos átomos más ligeros, 2,5 neutrones que provocan una reacción en cadena y liberando una gran cantidad de energía. La energía se produce debido a un hecho conocido como defecto de masa descubierto al comprobar que masa de un átomo es menor que la suma de la masa de sus partículas por separado, que fue interpretado por Albert Einstein como una transformación de masa de las partículas en energía cuando se formó el átomo, por lo tanto, cuando se rompe el átomo se pensó que energía podía ser liberada y aprovechada. Así Einstein enuncio que E = m·c 2 Las reacciones de fisión se llevan a nivel industrial en los reactores nucleares a partir de elementos radiactivos como el plutonio, uranio o torio.
◘ Las reacciones de fusión. Las reacciones de fusión consiste en la unión de dos núcleos ligeros para producir un átomo más pesado, por ejemplo, se une un isótopo del hidrógeno llamado deuterio ( 12 H ) con otro isótopo del hidrógeno llamado tritio ( 13 H ) para dar un núcleo de helio ( 24 He ) con la emisión de un neutrón y energía. Las reacciones de fisión a nivel industrial están en fase de desarrollo, puesto que la energía que hay que invertir en crear las condiciones idóneas de muy altas temperaturas para que tenga lugar la reacción, no se compensa con la energía obtenida.
◘ Las centrales nucleares. Las centrales nucleares transforman la e. nuclear en e. térmica que a su vez se transforma en e. eléctrica. Una central nuclear está constituida básicamente por un reactor, un turbogenerador y un condensador. El reactor es un edificio blindado de acero y hormigón donde se realiza la combustión del combustible radiactivo, que genera el calor necesario para evaporar el agua que mueve el turbogenerador. El reactor puede ser de agua a presión (PWR) o de agua a ebullición (BWR). ● El reactor de agua a presión (PWR) dispone de dos circuitos, uno conocido como primario que esta en contacto con el combustible y que contiene al moderador y refrigerante a alta presión para que no pasen a estado gaseoso, que mediante un intercambiador transfiere el calor a un circuito secundario que mueve la turbina y condensa el vapor mediante un condensador de agua, normalmente cerca de un río, etc.
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● El reactor de agua a ebullición (BWR) es similar solo que hay un único circuito, de forma que el agua refrigerante es el que mueve la turbina, con la ventaja de un menor coste y algún inconveniente como que la turbina se encuentra contaminada y requiere precauciones especiales ante manipulaciones. El reactor contiene un moderador, un refrigerante y las barras de control. El moderador frena los neutrones para continuar con la reacción en cadena, pues solo los neutrones lentos producen nuevas fisiones, siendo el moderador agua, agua pesada (los átomos de H en forma de deuterio) o carbono. El refrigerante impide que se funda el reactor, empleando como refrigerante agua, agua pesada, potasio, dióxido de carbono, aire o helio. Las barras de control absorben los neutrones controlando el nº de reacciones, es decir la reacción en cadena, se fabrica de cadmio o boro El turbogenerador transforma la energía térmica contenida en el vapor en energía eléctrica. El condensador condensa el vapor de agua para volver a ser empleada en el ciclo.
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4.2. Las fuentes de energías renovables. Las fuentes de energías renovables son la e. hidráulica, e. solar, e. eólica, biomasa, e. geotérmica y e. oceánica. 4.2.1. La energía hidráulica. La e. hidráulica es la e. que se obtiene de la e. mecánica mediante la construcción de una central hidroeléctrica que permite la transformación de la energía mecánica hidráulica a energía mecánica en los alabes de una turbina y a energía eléctrica en el generador que pasa a la red. La e. hidráulica esta sujeta a condicionantes naturales de tipo climático, hidrológico o topográfico.
◘ Las centrales hidráulicas. Las centrales se clasifican en fluyentes o de pie de presa. Las centrales fluyentes no requieren un embalse, simplemente la turbina es accionada por la corriente de agua, estas centrales se ubican en ríos caudalosos con gran pendiente. Las centrales de pie de presa son aquellas en las que se embalsa el agua mediante un muro de contención constituyendo una presa, que permite embalsar el agua en altura que generando una energía potencial, que se transforma en energía mecánica y a su vez en eléctrica en el pie de presa donde se sitúa una central hidroeléctrica. Las presas presentan las ventajas de reducir el riesgo de avenidas y ser una reserva de agua durante el estiaje prolongado y el inconveniente de causar un gran impacto ambiental. Las centrales de energía nuclear pueden tener tamaños diversos, desde minicentrales de 5 MW hasta macrocentrales mayores a 5 MW.
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4.2.2. La energía solar. La energía solar es la energía procedente de las radiaciones generadas en el sol que nos llegan a la tierra. La energía solar se caracteriza por ser dispersa e intermitente necesitando instalaciones caras que causan un gran impacto ambiental. La energía solar es dispersa puesto que para obtener cantidades grandes de e. es necesario captarla en superficies muy grandes, puesto que el ratio de energía por m2 de insolación es bajo. La energía solar es intermitente porque la cantidad de iluminación depende de la hora del día, la época del año, del tiempo atmosférico, etc. La e. solar se aprovecha mediante conversión térmica y conversión fotovoltaica.
◘ La conversión térmica. La conversión térmica son técnicas de transformación de energía solar a energía térmica, que según la temperatura alcanzada por el sistema puede ser conversión térmica a baja, media o alta temperatura. La conversión térmica a baja temperatura produce agua caliente sanitaria por efecto invernadero en serpentines negros.
La conversión térmica a media temperatura produce agua caliente al tener unos colectores que reflejan la radiación solar sobre un receptor de superficie reducida por el que circula agua que puede alcanzar unas temperaturas intermedias de 300 ºC.
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La conversión a altas temperatura genera temperaturas térmicas altas de 6.000 ºC en Hornos solares o Centrales solares. Los Hornos solares son numerosos helióstatos que concentran los rayos solares en un punto que alcanza una alta temperatura donde se coloca un material, una aplicación del horno solar, es la experimentación de materiales. Las Centrales solares son numerosos helióstatos que concentran los rayos solares en una torre central donde evapora agua para mover un turbogenererador.
◘ La conversión fotovoltaica. La Conversión fotovoltaica consiste en la transformación de la luz procedente de la energía solar en e. eléctrica en células solares fotovoltaicas fabricadas de material semiconductor (Si). La conversión fotovoltaica se caracteriza por tener un bajo rendimiento que no supera nunca el 25 % produciendo voltajes pequeños, pues para obtenerlos altos hay que colocar varias células en serie.
4.2.3. La energía eólica La energía eólica es la e. obtenida de la energía mecánica del viento. La energía eólica se caracteriza por ser cambiante en dirección e intensidad de forma impredecible que tiene la ventaja de causar bajo impacto ambiental. La e. se aprovecha con aerobombas y aerogeneradores. La aerobomba transforma la energía mecánica del aire en energía mecánica en un eje. El aerogenerador transforma la energía mecánica del aire en energía eléctrica cuando el viento mueve unas hélices acopladas a un generador. El generador esta constituido de tres partes, la hélice, la navecilla y la torre. La potencia producida por un generador (W) es directamente 1 proporcional al producto de un medio por la densidad del aire (Kg./m3) P = ·ρ · A·v 3 ·Cp 2 2 por el área de captación del rotor (m ) por la velocidad del viento (m/s) y por el coeficiente de aprovechamiento de la máquina (0,1-0,45). En España se podría suministrar el 10% de e. eléctrica producida a partir de e. eólica.
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4.2.4. La biomasa La biomasa son los vegetales terrestres o acuáticos de crecimiento espontáneo o cultivado, los residuos agrícolas y forestales y algunos residuos urbanos e industriales, como por ejemplo, excrementos, orines y restos de alimentos que se emplean para la obtención de e. por combustión directa o formando parte de biocombustibles. La combustión directa de biomasa presenta es una energía limpia puesto que se libera el C fijado anteriormente por las plantas y permite el aprovechamiento de residuos, especialmente los residuos sólidos urbanos RSU con un poder calorífico Pc > 1000 Kcal/Kg. La e. liberada por la biomasa en combustión directa es directamente E = Pc ·m proporcional al producto del poder calorífico (Kcal/Kg) por la masa (Kg). Los biocombustibles son cualquier combustible sólido, líquido o gaseoso producido a partir de biomasa, por combustión de desechos orgánicos secos, por fermentación de desechos húmedos para producir biogás o por fermentación de azúcares producir alcohol y éteres. La Unión Europea permite que un 5% de etanol se añada a los combustibles fósiles y en Brasil una cuarta parte del combustible utilizado en transporte procede del etanol.
4.2.5. La energía geotérmica. La energía geotérmica es la energía obtenida de un yacimiento geotérmico, aumentando la temperatura en 30 ºC por Km. conforme se avanza al centro de la tierra. El yacimiento geotérmico se puede definir como un volumen de roca con temperatura anormalmente elevada, de forma que esta tª puede ser absorbida por el agua. La e. geotérmica tiene un alto potencial, aunque su aprovechamiento resulta difícil pues normalmente solo se emplea en zonas próximas al yacimiento.
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4.3.6. La energía oceánica. El mar proporciona tres tipos de energías siendo estas la e. mareomotriz, la e. térmica de los océanos y la e. de las olas. ◘ La energía mareomotriz. La energía mareomotriz es la energía originadas por la atracción entre el Sol y la Luna obtenida a partir de la diferencia de alturas entre las mareas, que causa un gran impacto medioambiental. La explotación energética se realiza en estuarios o entradas de mar hacia tierra, de forma que mediante unas compuertas se aísla la marea para pasar agua por unas turbinas reversibles en las dos direcciones. Un ejemplo de central mareomotriz está en La Rance (Francia).
◘ La energía térmica de los océanos. La energía térmica de los océanos consiste en la extracción de energía debido a la diferencia de tª que hay entre las capas superficiales y profundas de los océanos. Debido a la escasa diferencia de temperatura entre las capas superficiales y profundas para aprovechar la energía térmica hay que emplear fluidos con bajos puntos de ebullición.
◘ La energía de las olas. La energía de las olas es la obtención de energía mediante la compresión de un fluido que acciona una turbina por parte de las olas. Los inconvenientes es que las olas son aleatorias y de amplitud variables. Los japoneses han desarrollado un sistema llamado Kaimei, que consiste en un barco flotante con una cámara de aire en su parte inferior en contacto con unas turbinas, de forma que, al moverse, las olas comprimen o succionan aire de la cámara, provocando el giro de la turbina.
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5. La transformación de las distintas formas de energía. La transformación de la e. se basa en el 1º principio de la termodinámica que enuncia que “la energía no se crea ni se destruye solo se transforma” En la práctica ninguna transformaciones se realiza con un 100% de rendimiento, pues siempre se producen unas perdidas de energía, como puede ser el trabajo de rozamiento en los pistones de un motor, o las perdidas por calentamiento de un alternador, etc. El rendimiento de una transformación viene dado por la expresión:
η=
Trabajo realizado Energía aportada
Las transformaciones energéticas son: E. mecánica: e. eléctrica y térmica. E. eléctrica: e. mecánica, térmica, química, radiante y luminosa. E. térmica: e. mecánica, eléctrica, química y radiante. E. química: e. mecánica, térmica, eléctrica y radiante. E. radiante: e. térmica, eléctrica y química. E. nuclear: e. térmica. NUCLEAR
RADIANTE
TÉRMICAR
ELÉCTRICA
QUÍMICA
MECÁNICA
Conclusiones
Bibliografía Las fuentes de energía. El cuaderno de la energía Tecnología Industrial I. Tecnología Industrial I.
Ed. Marcombo. Ed. McGraw-Hill. Ed. Edebé. Ed. Santillana
