Combustibles fósiles y energía nuclear

Fuentes de energía. Carbón. Petróleo. Gas natural. Reacciones nucleares. Reactor nuclear. Fisión. Fusión. Centrales nucleares. España

  • Enviado por: FRANCISCO JAVIER BLESA
  • Idioma: castellano
  • País: España España
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Los combustibles fósiles

Entre las fuentes de energía no renovables, los combustibles fósiles ocupan el puesto de honor en lo que a utilidad se refiere.

El carbón puede considerarse como el motor de la era industrial que comenzó a finales del siglo XVIII.

Un siglo más tarde, el carbón fue prácticamente sustituido por el petróleo. Pero el previsible agotamiento de este y el continuo aumento de su precio, ha hecho volver los ojos hacia el carbón.

EL CARBÓN

El carbón es un combustible de color negro, formado por:

-carbono

-Otros elementos químicos ligeros

-componentes volátiles y no volátiles. Estos últimos, al quemarse el carbón, quedan en forma de cenizas.

Tipos de carbón

Carbones naturales

Combustibles fósiles que proceden de la transformación de grandes masas vegetales. Estos vegetales quedaron enterrados y sufrieron un proceso de fermentación anaeróbica, debido a la acción conjunta de microorganismos, presión y temperatura adecuadas. El contenido en carbono sirve para clasificar los carbones naturales en cuatro tipos.

Turba: Es el carbón de más reciente formación. Incluso se está produciendo en la actualidad en regiones pantanosas o encharcadas con abundante vegetación, llamadas turberas. Su contenido en agua es muy alto y es necesario desecarlo. Se emplea casi exclusivamente en calefacciones.

Lignito: se encuentra en yacimientos poco profundos, hasta en punto de que incluso en ocasiones se extrae a cielo abierto. Como su contenido en agua es bastante alto, se ha de desecar antes de utilizarlo.

Hulla: Posee un contenido en carbono más elevado que la turba y el lignito. Una gran cantidad de hulla se emplea para obtener coque, alquitrán, gas ciudad. También se utiliza para la fundición de metales y la obtención de energía eléctrica.

Antracita: no es muy abundante y tiene una importancia relativa.

Carbones artificiales

Coque: Al calentar la hulla, en ausencia de aire, en unos hornos especiales se obtienen, además de coque, una serie de productos volátiles (gas ciudad, amoníaco, alquitrán).

El coque arde sin llama y tiene un gran poder calorífico. Se usa como combustible en los hornos de fuego continuo, y especialmente como agente reductor en la producción de hierro en los altos hornos.

Carbón vegetal: Se obtiene por destilación seca de la madera. Su principal aplicación es como absorbente de gases, por ese motivo, se le emplea en mascarillas antigás y en bombas de alto vacío.

Explotación y transporte de carbón.

Explotación a cielo abierto: se lleva a cabo cuando el yacimiento se encuentra en la superficie o a escasa profundidad. El carbón obtenido de seta forma es de baja calidad (Lignito).

Laboreo subterráneo: se perforan pozos hasta llegar a la veta y a continuación se excavan galerías para proceder a la extracción del mineral.

Producción mundial de carbón

Aunque se conoce desde la antigüedad, el carbón natural comenzó a adquirir verdadera importancia hacia la segunda mitad del siglo XVIII, constituyéndose en una de las bases de la Revolución industrial. Sigue siendo el combustible más abundante en la naturaleza, pues sus reservas se estiman en casi el 70% del total mundial de fuentes no renovables de energía.

El carbón en España

Los recursos de carbón españoles suponen una producción para unos 100 años.

Un 94% del carbón nacional se destina al consumo en centrales térmicas.

Existen 4 grupos de consumo

-combustible de uso general

-coque para industria

-productos químicos

-gas de uso doméstico

Ventajas en inconvenientes del uso del carbón

Ventajas

  • En su combustión se desprende energía de una forma muy regular.

  • Obtención de energía de una forma relativamente sencilla y cómoda.

  • Las zonas de utilización del carbón suelen estar cerca de los yacimientos, lo que abarata los gastos de transporte.

Inconvenientes

  • La extracción de carbón en el interior de las minas resulta muy peligrosa.

  • Es una energía no renovable.

  • Graves alteraciones medioambientales.

Impacto medioambiental

A/ Influencia sobre el suelo: produce un considerable impacto visual. La capa superficial del suelo también se ve seriamente afectada por la llamada lluvia ácida.

B/ Influencia sobre el agua: los circuitos de refrigeración que recoge agua de un río o del mar y que suele devolver al mismo a elevada temperatura, lo que altera el ecosistema. Este problema se evita disponiendo un sistema cerrado, con torres de refrigeración, lo que permite que el calor desprendido se puede aprovechar en pequeñas instalaciones, en especial de tipo agrícola.

El agua empleada en el lavado del carbón en el exterior de las minas arrastra partículas a los ríos y al mar, con la consiguiente contaminación del ecosistema.

C/ Influencia sobre la atmósfera: En la combustión del carbón se originan una serie de productos y residuos no volátiles que pasan a la atmósfera.

Efecto invernadero: el CO2 es diatérmico ( transparente al calor) para la radiación solar que llega a la superficie de nuestro planeta y, en cambio, absorbe la radiación infrarroja que reemite la Tierra hacia el espacio. De esta forma se conserva más eficazmente el calor de Sol y la temperatura de la atmósfera se eleva proporcionalmente al aumento del CO2, lo que produce alteraciones climáticas importantes.

Lluvia ácida: Los óxidos de N y S reaccionan con el agua de la lluvia formando ácidos nítrico y sulfúrico, que constituyen la llamada lluvia ácida, de efectos sumamente perniciosos para la vegetación.

Contaminación de los ríos y lagos.

Deterioro del patrimonio histórico.

EL PETRÓLEO

Es un combustible natural líquido, constituido por una mezcla compleja de hidrocarburos. Su composición es muy variable de unos yacimientos a otros.

Es un líquido oleoso, de color pardo negruzco, densidad menor que el agua e insoluble en esta. Su poder calorífico oscila entre 9000 y 11000 Kcal/Kg.

El petróleo es de origen fósil. Procede de la transformación, por la acción de determinadas bacterias, de enormes masas de plancton. Este proceso tuvo lugar en ausencia de aire y bajo capas de sedimentos en cuencas marinas próximas a la costa.

Debido a su pequeña densidad y gran movilidad, el petróleo puede desplazarse horizontal y verticalmente hasta llegar a un emplazamiento donde queda estabilizado. Está asociado a agua salada y a gases.

Prospección, explotación y transporte del petróleo

Prospección del petróleo

Se conoce como prospección la investigación de las acumulaciones de petróleo de valor comercial. La operación final y más importante de la prospección es siempre la perforación de un sondeo de explotación.

Explotación del petróleo

Una vez localizado un yacimiento rentable, se hace necesario perforar un pozo hasta alcanzarlo.

Flujo natural: El petróleo brota de forma espontánea, como un surtidor, debido a la presión ejercida tanto por el agua como por los gases existentes en el yacimiento.

Extracción por gas: inyectando gas en el pozo por debajo del nivel del fluido.

Por bombas hidráulicas o eléctricas.

El petróleo extraído (crudo) se conduce sucesivamente a dos depósitos; en el primero se le extrae el gas que contenga, y en el segundo el agua, y a continuación se almacena en grandes tanques para su posterior transporte.

Transporte del petróleo

Canalización: oleoductos o “pipelines”. Los oleoductos se construyen soldando tubos de acero de unos 80 cm de diámetro.

Por ellos circula el petróleo a una velocidad de varios kilómetros por hora. La energía necesaria para el transporte se consigue por medio de una serie de estaciones de bombeo intercaladas a lo largo de la red.

Buques para petróleo. Los petroleros tienen su espacio de carga dividido, por medio de tabiques transversales y longitudinales, en una serie de tanques separados. En la actualidad se construyen superpetroleros del orden de las 500000 toneladas.

Aplicaciones de petróleo

El petróleo crudo, según se extrae del yacimiento carece de utilidad, por lo que debe refinarse con objeto de separar los distintos componentes que lo constituyen y que sí tienen aplicación industrial.

Esta técnica de refino, que se lleva a cabo en instalaciones especiales -refinerías-, se basa fundamentalmente en una destilación fraccionada del petróleo, operación que se realiza en una torre de fraccionamiento, en cuya base el petróleo se calienta hasta una temperatura de unos 360 ºC. Los gases producidos se van enfriando a medida que ascienden en la torre y, al alcanzar su temperatura de licuación, se condensan en bandejas, y de ellas pasan a un depósito. De esta forma, a la pared superior de la torre llegan los gases que se licuan a temperatura ambiente; en las bandejas sucesivas, de arriba abajo, se recogen los líquidos de punto de ebullición progresivamente creciente, y en el fondo de la torre quedan sin evaporar los aceites pesados.

Algunos de estos productos sirven de base para la fabricación de una enorme variedad de sustancias petroquímicas: plásticos, fibras sintéticas, detergentes, pinturas, disolventes, explosivos, caucho sintético, insecticidas, medicamentos...

Combustibles líquidos

Combustible

Aplicación

Gasolina

Motores de explosión de dos y de cuatro tiempos

Gasóleo

Motores diesel (autobuses, camiones, barcos, automóviles particulares...)

Queroseno

Motores a reacción (aviones de medio y gran tonelaje)

Fuel

Centrales térmicas de fuel y calefacciones.

Combustibles gaseosos

Se pueden clasificar en tres grupos:

Combustible del primer grupo: gas ciudad. Su poder calorífico es de 4000-5500 Kcal/m3 en condiciones normales y se utiliza como combustible doméstico.

Combustibles de segundo grupo: Su poder calorífico oscila entre 10000 y 13000 Kcal/m3. Pertenecen a este grupo el gas natural y mezclas de butano y propano.

Combustibles del tercer grupo: integran este grupo los llamados gases licuados del petróleo, que son el butano y el propano, los cuales se almacenan y transportan en estado líquido.

Densidad relativa

Kcal/kg

Butano

2

11000

Propano

16

11000

El petróleo en España

En España solo se explotan en la actualidad dos yacimientos: en Ayoluengo (Burgos) y en Amposta (Tarragona).

El grado de dependencia de España con respecto al exterior es muy elevado.

Ventajas e inconvenientes del uso del petróleo

Ventajas

  • Produce energía de una forma muy regular y con buen rendimiento.

  • De él se obtienen una gran cantidad de productos de considerable interés.

Inconvenientes

  • Su carácter de energía no renovable.

  • La contaminación derivada de los gases que se desprenden en su combustión.

EL GAS NATURAL

El gas natural es una mezcla de gases que se encuentra almacenada en el interior de la tierra, unas veces aisladamente y en otras ocasiones acompañando al petróleo. Está compuesto principalmente por metano (>70%), y también por etano, propano y butano. Es un gas incoloro, muy inflamable y con densidad > que la del aire.

Su origen es semejante al del petróleo, así como los métodos que se llevan acabo para su prospección y extracción.

Su transporte se realiza de dos formas:

Mediante gasoductos, que son tuberías por las que circula el gas a alta presión.

Mediante buques cisternas. En este caso, es necesario licuar primero el gas, lo que se realiza en instalaciones situadas en el mismo puerto.

Aplicaciones del gas natural

  • Como combustible doméstico e industrial.

  • Como combustible en las centrales térmicas.

  • Como materia prima en la industria petroquímica.

  • “Para la obtención de gasolina”.

  • “En programas de cogeneración”.

El gas natural en España

En España existen yacimientos de gas natural en Serrablo (Huesca), en Bermeo (Vizcaya) y en el golfo de Cádiz.

Actualmente, en el PEN (Plan Energético Nacional) se prevé que en España aumente considerablemente la utilización del gas natural.

Impacto medioambiental del petróleo y del gas natural

Son muy semejantes a las del carbón

A/ Influencia sobre el suelo: efectos producidos por la existencia de pozos petrolíferos, refinerías, oleoductos, gasoductos, etc., y en especial los derrames tanto de petróleo como de sus derivados.

B/ Influencia sobre el agua. El mayor impacto lo producen los vertidos de las refinerías y los que se producen en la carga y descarga de los petroleros.

C/ Influencia sobre la atmósfera. Algunos de los gases procedentes de la combustión de derivados del petróleo.

  • CO2, responsable del efecto invernadero.

  • Óxidos de nitrógeno y azufre, causantes de la lluvia ácida.

  • CO, sumamente tóxico.

  • Plomo, procedente de los antidetonadores añadidos a la gasolina utilizada en los motores de explosión.

CENTRALES TÉRMICAS CLÁSICAS

Las centrales termoeléctricas clásicas son aquellas instalaciones que transforman la energía calorífica procedente de los combustibles fósiles en energía eléctrica.

La energía NUCLEAR

LA ENERGÍA NUCLEAR

Radiactividad natural

La radiactividad natural consiste en la emisión espontánea por parte de algunas sustancias existentes en la Naturaleza de radiaciones capaces de atravesar cuerpos opacos a la luz, impresionar placas fotográficas, ionizar el aire, producir la descarga de cuerpos cargados eléctricamente, etc.

Radiaciones emitidas:

  • Radiación alfa (), constituida por núcleos de helio. Es muy poco penetrante, siendo absorbida por una hoja fina de papel o por la misma piel del cuerpo humano.

  • Radiación beta (), constituida por electrones. Es más penetrante que la anterior. Para detenerla se requiere una lámina metálica de algunos mm o una plancha de madera de varios cm de espesor.

  • Radiación gamma (), no tiene naturaleza material, se trata de radiación electromagnética de gran poder de penetración, capaz de recorrer centenares de metros de aire. Para detenerla se requiere una lámina gruesa de plomo o una pared de hormigón.

Transmutación artificial

En el fenómeno de la radiactividad natural los núcleos de los elementos radiactivos se convertían, de una manera espontánea, en otros núcleos distintos, emitiendo en el proceso partículas  y  y la radiación . De una manera artificial, se puede obligar a los núcleos de algunos elementos a transformarse en otros distintos.

En todas las reacciones nucleares se cumple siempre que la suma de los números atómicos y másicos de los dos miembros de la ecuación ha de ser la misma.

Radiactividad artificial

En este caso, y en otros que se encontraron más tarde, el núcleo que se desintegra espontáneamente no existe en la naturaleza, sino que se obtiene artificialmente; por eso, este proceso se conoce como radiactividad artificial. En este tipo de radiactividad se desprende radiación de neutrones: no tiene carga, es muy penetrante, pero s e frena con el agua.

Energía nuclear

En la mayor parte de las reacciones nucleares, la masa de los reactivos es mayor que la de los productos de la reacción; existe una pérdida de masa debido a que en el transcurso de la reacción una cierta cantidad de materia se convierte en energía de acuerdo con la ecuación de Einstein:

"E = "m · c2

en la que c representa la velocidad de la luz en el vacío (3·108 m/s).

REACCIONES NUCLEARES DE INTERÉS ENERGÉTICO

Reacciones de fisión nuclear

Escisión o rotura de un núcleo por bombardeo de neutrones liberando energía como radiaciones y calor.

Se produce una tremenda liberación de energía y desprendimiento de nuevos neutrones (generalmente dos) capaces de seguir la reacción iniciada (reacción en cadena).

A este proceso se le denomina fisión nuclear.

La energía liberada en la fisión de un núcleo procede de la pérdida de masa originada en el proceso.

La energía liberada en las reacciones de fisión nuclear puede emplearse para:

  • Fines militares, si el proceso transcurre de forma incontrolada, a velocidades explosivas (bombas atómicas).

  • Fines pacíficos, como fuente de energía, en los dispositivos conocidos como reactores nucleares, que constituyen el elemento fundamental de las centrales nucleares.

Reacciones de fusión nuclear

Las reacciones de fusión, también llamada termonucleares a causa de la elevada temperatura a la que tiene lugar, consisten en la unión de núcleos ligeros para producir un núcleo más complejo, yendo acompañado el proceso de una considerable emisión de energía, mayor aun que la que se desprende en las reacciones de fisión.

Este tipo de reacciones se verifican en el Sol y en todas las estrellas.

El elemento típico de estas reacciones es el H, y en concreto dos de sus isótopos denominados Deuterio y Tritio.

La realización práctica de las reacciones de fusión nuclear tropieza con el inconveniente de que, para conseguir que dos núcleos cargados entren en contacto, es necesario vencer las enormes fuerzas de repulsión electroestática entre ellos. Esto implica que han de poseer velocidades muy elevadas, lo que se consigue sometiendo los núcleos a temperaturas altísimas, del orden de 109 ºC.

En principio la energía liberada en las reacciones de fusión nuclear puede emplearse para:

  • Fines militares (bombas de H)

  • Fines pacíficos, como fuente de energía, si bien hasta la fecha no se ha logrado su aprovechamiento de una forma económicamente rentable.

EL REACTOR NUCLEAR

El aprovechamiento con fines prácticos de la energía liberada en las reacciones de fisión nuclear se basa en varios hechos que conviene destacar:

  • Estas reacciones tienen la posibilidad de verificarse en cadena, es decir, que el número de neutrones desprendidos sea cada vez mayor, aumentando de esta forma el número de reacciones que se producen por unidad de tiempo.

  • Los neutrones desprendidos (neutrones rápidos) poseen una energía elevada y no son aptos para producir una reacción de fisión; para ello es necesario frenarlos, disminuyendo su energía (neutrones térmicos), lo que se consigue haciéndoles chocar repetidas veces contra átomos de pequeño tamaño de determinadas sustancias, que reciben el nombre de moderadores. Pueden emplearse como tales agua ordinaria, agua pesada, grafito o berilio.

  • Para que se produzca y mantenga una reacción de fisión nuclear será necesaria una masa mínima del material fisionable, pues en caso contrario los neutrones producidos se escaparían sin producir nuevas fisiones. Esta masa mínima se conoce con el nombre de masa crítica.

  • Para que transcurra la reacción en cadena, el número de neutrones producidos ha de ser mayor que la suma de los absorbidos y los perdidos.

Las reacciones de fisión se llevan a cabo en instalaciones termoeléctricas conocidas como centrales nucleares, que constan de : un dispositivo básico, llamado reactor nuclear; un turbogenerador, en el que la energía calorífica se transforma en energía eléctrica y edificios anejos en los que s e almacena tanto el combustible nuevo como el ya utilizado. También se emplean los reactores nucleares como fuente de energía principal en barcos y submarinos, así como para investigación y producción de radioisótopos de gran importancia en Medicina, Química e Industria.

Características de un reactor nuclear

La parte central del reactor, llamado núcleo, contiene el material combustible y los elementos necesarios para producir y controlar la reacción de fisión; estos son el material moderador y las barras de control.

Para iniciar la fisión se dispone de una fuente de neutrones, por lo general inmersa en el moderador.

Las barras de control regulan el nº de neutrones que provocan la reacción; son barras móviles de boro o cadmio que se pueden introducir más o menos en el núcleo de reactor, modificando el número de fisiones que tienen lugar por unidad de tiempo.

La energía procedente de la fisión se desprende en forma de calor, que es transportado mediante un fluido refrigerante, que suele ser agua ordinario, agua pesada o metal líquido.

Rodeando el núcleo, y para evitar la fuga de neutrones, suele haber un reflector constituido por un material análogo al del moderador. Para proteger el medio contra los neutrones y las radiaciones producidas, ya sea en el momento de la fisión o posteriormente, se rodea todo el reactor con un blindaje de hormigón de varios metros de espesor y una plancha metálica, que frena dichas radiaciones. Suele tener forma cilíndrica, con una cúpula semiesférica.

Distintos tipos de reactores nucleares

Reactores de producción de potencia. La energía calorífica se convierte en energía eléctrica por medio de una turbina.

Reactores de investigación. Fuente de alta intensidad de radiaciones y de neutrones, así como los destinados a la producción de radioisótopos.

Reactores reproductores. Transforman material fértil en fisionable.

CENTRALES NUCLEARES

Las centrales nucleares son aquellas instalaciones que transforman la energía nuclear de fisión en energía eléctrica.

En una central nuclear, las distintas transformaciones energéticas se verifican entres etapas sucesivas:

  • En el interior del reactor la energía nuclear se convierte en energía calorífica.

  • En las turbinas la energía calorífica extraída del reactor por el fluido refrigerante se transforma en energía mecánica.

  • En el generador (alternador) la energía mecánica se transforma en energía eléctrica.

Como parte más importante de la instalación, el reactor nuclear contenido en el interior de un recinto blindado de dos paredes: una interior de acero y otra exterior de hormigón, que protegen también a los generadores de vapor y a las bombas del refrigerante del reactor.

El calos producido en el reactor calienta el fluido refrigerante que llega a los generadores de vapor, desde donde regresa al reactor debido al impulso de una bomba.

En los generadores de vapor, el calos transforma el agua del circuito secundario en vapor y lo dirige hacia el edificio de turbinas, encaminándose luego al condensador, donde licua debido a la acción de un circuito de refrigeración que toma agua de un río o del mar, devolviéndola posteriormente a su lugar de procedencia.

El vapor condensado se conduce de nuevo a los generadores de vapor mediante le bomba.

Ventajas e inconvenientes de la energía nuclear

En el capítulo de ventajas figuran las enormes posibilidades energéticas del proceso, las buenas condiciones de funcionamiento, además de no precisar del oxígeno atmosférico.

Entre las desventajas pueden citarse los pequeños rendimientos de las centrales nucleares a causa de las pérdidas de energía que tienen lugar en los circuitos de refrigeración; los elevados costos de las instalaciones, gravados por los complicados dispositivos de seguridad necesarios para evitar fugas radiactivas y el enrome problema que supone el almacenamiento de los residuos radiactivos.

Aspectos medioambientales de la energía nuclear

Sistemas de seguridad, que se aplican durante el periodo de construcción de la central, y más tarde cuando se encuentra ya en funcionamiento.

Aunque el riesgo siempre existe el nivel de radiación originado por una central nuclear en correcto estado de funcionamiento es muy inferior al que producen otros objetos como la tele.

Residuos radiactivos

Se designan con el nombre de residuos radiactivos aquellos materiales que contienen radioisótopos en proporción superior a la admitida por la legislación correspondiente.

La mayor parte provienen de las c.nucleares, aunque también se originan en centros de investigación y en algunos aparatos científicos. Pueden ser sólidos, líquidos y gaseosos.

Los residuos sólidos de baja y media radiactividad se mezclan con hormigón y se introducen en bidones, que se almacenan primero en la propia central y luego se transportan hasta su emplazamiento definitivo.

Los residuos sólidos de alta radiactividad se almacenan primero en la propia central, en piscinas de hormigón llenas de agua.

Cabe mencionar los problemas que se plantean ante el desmantelamiento definitivo de una central nuclear.

ENERGÍA NUCLEAR DE FUSIÓN

Se parte de un almacenamiento del plasma mediante la acción de potentísimos campos magnéticos, comprimirlo después para elevar la temperatura y conseguir la densidad necesaria para que tenga lugar la fusión nuclear.

Hoy en día ningún método es económicamente rentable. Es de esperar que los próximos años proporcionen a la Humanidad el aprovechamiento industrial de esta nueva fuente de energía, considerada por muchos como la energía del futuro.

Las ventajas con respecto a la de fisión son:

  • Utiliza como materias primas isótopos del hidrógeno que abundan en la naturaleza dada la gran cantidad de H existente del agua de mares y océanos.

  • Es una energía limpia, pues no se generan isótopos radiactivos como en el caso de la fisión.

Los riesgos biológicos de estas radiaciones aún no han sido suficientemente estudiados.

LA ENERGÍA NUCLEAR EN ESPAÑA

Las centrales nucleares españolas proporcionan la tercera parte de la energía eléctrica producida en nuestro país.

El gobierno español aprobó la moratoria nuclear, que significó la parada definitiva de algunas centrales o la no construcción de otras proyectadas.

La producción española de U es de unas 300 toneladas procedentes de un yacimiento en Lérida y que se refinan en Andujar (Jaén).

En cuanto a los residuos de baja y media actividad, se almacenan en las instalaciones de El Cabril (Córdoba); y los de alta en contenedores y piscinas de una forma provisional. No existe zona alguna de almacenamiento definitivo, ni tampoco fábricas de reprocesamiento, lo que obliga a su envío al exterior.