Els recursos energètics

Energia i fonts d'energia

Les fonts d'energia al llarg del temps

Els pobles primitius utilitzaven energia muscular i aprofitaven l'energia del sol, més endavant utilitzaren la força dels animals i obtingueren foc mitjançant combustibles vegetals. Els combustibles corrents de l'ésser humà foren la fusta i els residus vegetals o animals i quan van necessitar grans quantitats d'energia per a les màquines de les indústries, van recórrer a l'energia del vent i de l'aigua.

La revolució industrial del s. XIX amb la utilització de la màquina de vapor en el transport i la mecanització provocà un gran augment de demanda d'energia. El carbó vegetal fou substituït pel carbó mineral. La invenció del motor d'explosió, una màquina que requeria benzina, a un combustible derivat del petroli. Durant la Primera Guerra Mundial el petroli es considerà com una energia fonamental, ja que els derivats del petroli tenien grans avantatges respecte del carbó: més poder calorífic, més facilitat de transport i molt més econòmic. L'any 1973 amb motiu de la guerra araboisraeliana, el preu del petroli es va triplicar, originant la crisi de l'energia.

El gas natural es començà a impulsar a partir de l'augment del consum energètic després de la Segona Guerra Mundial. I la recerca de solucions a la necessitat d'energia suposà el desenvolupament de l'energia nuclear.

Classificació de les fonts d'energia

Energia solar

Energia eòlica

Energia hidràulica

Energia geotèrmica

Renovables Biomassa

Residus sòlids urbans

Energia maremotriu

FONTS Energia de les ones

D'ENERGIA

Carbó

Petroli

No renovables Gas natural

Energia nuclear

Fonts d'energia tradicional: foc, aigua i vent

L'escalfor del foc

El Sol fou la primera font d'energia que va utilitzar la humanitat, ja que fa ver possible l'existència d'animals i plantes. Després es dominà el foc i durant anys la llenya fou l'única font de calor utilitzada. L'empraven per escalfar-se, cuinar, il·luminar-se i fondre metalls.

La força del vent

Té diferents aplicacions:

Transport. Primer s'utilitzà en el transport fluvial i després en el marítim. Durant l'edat mitjana amb la invenció del timó i perfeccionament de les veles, podien dominar el rumb. I la navegació es dedicà en el comerç, descobriments geogràfics, etc.

Molins de vent. Es transforma l'energia del vent en energia mecànica, i s'utilitzaven en zones on l'aigua era escassa. Amb la invenció de la màquina de vapor no calia dependre de si feia vent o no, i la seva utilització es reduí dràsticament.

Quan a finals del segle XIX amb l'inici de l'indústria elèctrica, s'utilitzaven per a produir energia elèctrica i llavors aparegueren els aerogeneradors.

L'impuls de l'aigua

La roda hidràulica o molí d'aigua: Durant l'Imperi Romà el seu ús es destinà per a moldre gra. A l'època medieval amb la millora dels seu disseny i del seu rendiment, és la màquina que afavoreix el desenvolupament de les tècniques de transmissió del moviment per engranatges, de la indústria tèxtil, del paper, metal·lúrgica, etc.

A finals del segle XIX amb l'aparició de la indústria elèctrica, les rodes es substitueixen per turbines que mouran els generadors elèctrics.

El poder de la calor

Els materials combustibles

Els materials combustibles són substàncies que al combinar-se amb l'oxigen, donen el fenomen de la combustió, i s'obté energia calorífica i, normalment, energia lluminosa.

A causa del desenvolupament de la màquina de vapor, necessitaven noves fonts d'energia més abundants i amb més poder calorífic:

• Combustibles fòssils: són naturals i els més abundants. Respecte al seu estat es classifiquen en sòlids, líquids o gasosos.

• Combustible sòlid: el més utilitzat és el carbó en qualsevol de les seves formes: antracita, hulla o lignit.

• Combustibles líquids: provenen de la destil·lació del petroli.

• Combustibles gasosos: el més utilitzat és el gas natural i els gasos liquats del petroli, com ara el butà i el propà.

Poder calorífic i capacitat calorífica

El poder calorífic és l'energia que es desprèn en la combustió completa de la unitat de massa o volum d'un combustible.

273

Pc = Pc(CN) · p ·

273 + T

La capacitat calorífica és la quantitat de calor que ha de rebre una substància per elevar la seva temperatura 1ºC.

Q = C · (T2-T1) = m· ce · (T2-T1)

Llenya i carbó

La llenya

El carbó vegetal s'obté de la piròlisi o combustió de llenya amb poca presència d'oxigen. En el mètode tradicional, la llenya s'apila i es cobreix de terra per evitar el contacte directe amb l'aire.

El carbó mineral

El carbó mineral o carbó, és el primer combustible fòssil que va utilitzar la humanitat, està format per carboni, hidrogen, oxigen, nitrogen i altres components. Era el combustible més utilitzat per al transport marítim i ferroviari i per il·luminar les ciutats.

A mitjan del s. XX el consum disminuí a causa del petroli, però amb la crisi energètica pujà el seu consum, ja que existien unes reserves superiors a les del petroli i actualment figura el consum de carbó en tots els PEN dels països industrialitzats.

PEN (Pla Energètic Nacional): conjunt d'estratègies, plans i objectius que defineixen la política energètica d'un país a mitjà i llarga termini.

Origen i propietats

Processos d'obtenció

Explotació a cel obert. Comença retirant el material que cobreix el jaciment, i el carbó queda al descobert. Amb maquinària especial i amb explosius es trenca el carbó i se n'obtenen grans quantitats de manera ràpida i econòmica.

Explotació subterrània. Consisteix en l'excavació de pous verticals fins a arribar a la veta i seguidament s'obren diferents galeries. El mineral es desprèn de la veta i es recull mecànicament amb vagonetes que el treuen a la superfície,

A peu de mina, el carbó es tritura, es renta i es classifica, i es porta als llocs de consum en trens o camions. El treball en les mines és molt perillós i amb maquinària costosa i mà d'obra especialitzada. Una de les malalties més perilloses és la silicosi, una malaltia que afecta als pulmons, provocada per la respiració durant molt d'aire carregat de partícules sòlides.

El grisú és un gas combustible que desprèn el carbó i necessita ventilació constant per a que no s'acumuli i exploti.

Gasificació del carbó. Consisteix en introduir un gas a la veta mineral, de la qual cosa resulta gas de carbó que s'utilitza com a combustible.

Aplicacions

Petroli i derivats. Gas natural

El petroli

El petroli brut és un líquid de color variable, des del terrós fins al negre, lleugerament menys dens que l'aigua, és viscós i té un olor desagradable. És constituït per una barreja d'hidrocarburs, també conté petites quantitats de sofre, oxigen i nitrogen. El petroli brut no té aplicació directa, s'han de separar els components per destil·lació a les refineries.

Origen

Va iniciar la seva formació fa uns 600 milions d'anys, per l'acumulació de plàncton marí. Era arrossegat cap a la costa , moria i es dipositava al fons, quedant cobert de sorra, argila i fang. La matèria orgànica es descomposà i a causa de la pressió i temperatura es va originar el petroli. I es troba en bosses de petroli i gas.

Localització i extracció

La localització es fa sempre en regions amb roques sedimentàries. Per perforar es construeix una torre de perforació i s'obre un pou de prova. Les torres són unes estructures metàl·liques que suporten el pes d'una sonda que es va enfonsant fins travessar la roca. Al cap de la sonda hi ha una barrina feta d'un material molt dur, i un potent motor arrossega la sonda.

Un cop travessada la roca, si hi apareix petroli sobren més pous i s'analitza la qualitat del cru. L'extracció del petroli pot ser natural o artificial. La natural, és quan el petroli es troba pressionat i surt pel tub de sondeig. I l'artificial, surt el petroli per mitjà de bombes aspirants.

També es poden trobar bosses marines sota el mar i s'obté gràcies a les plataformes marines.

Transformació en productes aptes per al consum

Destil·lació fraccionada

Cracking: consisteix en la descomposició dels hidrocarburs més pesants per obtenir-ne de més lleugers. Es pot fer a temperatures i pressions elevades o amb un catalitzador químic.

Polimerització: És el procés químic al contrari del cracking.

Reforming: Es fa servir per millorar les característiques de les benzines. Es fa a altes temperatures i en presència d'un catalitzador.

Aplicacions dels productes obtinguts

• Directament:

• Gas butà i propà (combustible industrial domèstic)

• Èter del petroli (dissolvent).

• Benzina (combustible per a motors d'explosió).

• Querosè (combustible per a motors d'aviació).

• Gasoil (combustible per a calefaccions i motors dièsel).

• Olis lubricants (lubricar).

• Ceres de parafines (espelmes, llumins,...).

• Fuel (combustible per a centrals tèrmiques).

• Asfalt (pavimentar terres).

• Indústria petroquímica: és la que utilitza els derivats del petroli per a l'obtenció de molts productes de gran aplicació. I produeix:

• Plàstics

• Fibres sintètiques (niló i polièster).

• Detergents

• Cautxú sintètic (fabricació de pneumàtics).

• Dissolvents i pintures.

• Insecticides, explosius i productes farmacèutics.

El gas natural

Tal com el trobem a la natura està format per metà 70% i barrejat amb età, propà, butà, etc. en proporcions variables.

Origen, extracció i transport

La formació és semblant a la del petroli, i la seva localització i l'extracció també. El gas abans de ser transportat, és processat per eliminar les seves impureses i s'obté metà pur.

A partir de la Segona Guerra Mundial, com que creix la demanda es desenvolupa l tecnologia per a la seva producció i transport.

El transport es realitza amb gasoductes, en els quals es transporta en estat gasós i una pressió entre 36 i 37 atmosferes, o també amb vaixells metaners que es transporta en estat líquid. Però per a que resulti econòmic se li redueix el tamany refredant-lo fins a gas natural liquat.

La distribució de la planta a qualsevol lloc de consum es fa a través de canonades a diferents pressions, depenen de la distància.

Aplicacions

• En la indústria, comerç i l'habitatge.

• En les centrals tèrmiques mixtes.

• En les instal·lacions de cogeneració.

• En la indústria petroquímica.

Combustibles gasosos

Són gasos que reaccionen amb l'oxigen de forma ràpida i alliberant calor.

• Primera família. Gasos de poder calorífic en CN entre 4000 i 5500 kcal/m3 (gas ciutat o manufacturat).

• Segona família. Gasos de poder calorífic en CN entre 10000 i 13000 kcal/m3 (gas natural i l'aire propanat).

• Tercera família. Gasos de poder calorífic entre 22500 i 28700 kcal/m3 (gas butà i el propà).

Combustibles nuclears

Estructura de l'àtom

L'estructura segons el model de Rutherford, està formada per un nucli amb els protons i els neutrons que els cohesionen, i girant al seu voltant els electrons, en diferents òrbites el·líptiques, segons el seu número i nivell d'energia.

El nombre de protons que té un àtom en el seu nucli és el nombre atòmic (Z). I el nombre de protons més el de neutrons d'un àtom s'anomena nombre màssic o massa atòmica (A).

Dels àtoms del mateix element que difereixen en el nombre de neutrons i, també en el nombre màssic, es diu que són isòtops de l'element.

Isòtops de l'hidrogen:

1 2 3

U Hidrogen o Protí U Deuteri U Triti

1 1 1

Radioactivitat. Vida mitjana d'un element radioactiu

La radioactivitat natural es produeix quan un nucli d'un àtom es transforma espontàniament en un altre, sense cap ajuda exterior. Els materials en què es produeix aquest fenomen s'anomenen materials o elements radioactius.

En la transmutació espontània surten del nucli de l'àtom anomenades radiacions, que poden ser alfa (α), beta (β) i gamma (γ).

Propietats de les radiacions emeses pels materials radioactius
Tipus de radiació	Poder de penetració	Desviació per camps magnètics i elèctrics	Velocitat	Naturalesa
Alfa (α)	La frena un full de paper o uns quants cm d'aire.	Dèbil	107 m/s	Partícules positives (nuclis d'heli)
Beta (β)	La frenen uns quants mm. d'alumini o 1 m d'aire	Gran	Propera a la de la llum	Partícules negatives (electrons)
Gamma (γ)	La frenen uns quants mm. de plom o uns quants metres de formigó.	Nul·la	La de la llum (108 m/s)	Fotons Llum no visible (longitud d'ona molt curta)

Henry Becquerel va descobrir la radioactivitat natural l'any 1896. Després del matrimoni Curie va trobar que l'urani i tori la tenien, i que els compostos de radi i d'actini són radioactius. Irène Curie i Frédéric Joliot descobriren la radioactivitat artificial l'any 1934.

Els isòtops radioactius artificials s'obtenen mitjançant el bombardeig de nuclis amb partícules alfa, beta i gamma, i sobretot neutrons.

La vida mitjana d'un element radioactiu és el temps en què una determinada quantitat d'element radioactiu es redueix a la meitat, pel fet d'haver-se desintegrat l'altra meitat.

L'energia del nucli atòmic

L'energia nuclear és l'energia continguda en el nucli dels àtoms.

La pèrdua de massa correspon a una transformació d'energia anomenada energia d'enllaç, que és necessària per mantenir molt unides i cohesionades les partícules del nucli.

La pèrdua de massa es converteix en energia per la fórmula d'Einstein E = m · c2.

Les centrals nuclears utilitzen reactors nuclears d'urani o plutoni com a font de calor. I tota la matèria no es pot transformar en energia, ja que són elements estables.

Reaccions nuclears

És qualsevol procés que implica el nucli d'un àtom. Hi ha dos tipus de reaccions:

Reaccions de fusió

S'uneixen nuclis d'elements lleugers per formar nuclis més pesats.

Es poden aconseguir reaccions de fusió escalfant les partícules a 100·106, en aquestes condicions els electrons i nuclis dels àtoms es troben en el quart estat de la matèria o plasma. El problema és coma aïllar el plasma a una temperatura tan alta. La solució més viable consisteix a crear un potent camp magnètic.

Reaccions de fissió

Consisteix a provocar la ruptura del nucli d'un àtom amb l'impacte d'un neutró.

O. Hahn i I:S. Strassman són els que aconseguiren la primera reacció de fissió l'any 1939 a Berlín. I amb aquest descobriment començà l'era atòmica.

L'interès era que cada nucli escindit emeti dos o tres neutrons que pugui escindir altre nuclis d'urani, aquest procés és la reacció en cadena.

Bohr va demostra que només l'U-235 és capaç d'escindir-se.

La quantitat d'energia obtinguda per una reacció es controlada per un reactor nuclear, que és un sistema per produir i controlar reaccions en cadena sostingudes de manera que permetin d'aprofitar l'energia tèrmica obtinguda.

Processos d'obtenció i enriquiment dels combustibles

Els combustibles nuclears són els elements que en condicions adequades poden produir reaccions nuclears de fusió i fissió, energèticament aprofitables.

Els materials fèrtils són aquells que amb reaccions nuclears de captura i canvi radioactiu es converteixen en materials fissibles.

L'urani natural està format pel 99,27% d'U238, 0,72% d'U-235 i la resta d'U-234

L'urani enriquit, la proporció d'U-235 ha augmentat el 3 o 4&.

Cicle del combustibles

Importància econòmica dels recursos energètics

Producció i consum

Els combustibles fòssils han fet possible el món modern, i van ser el motor de la revolució industrials.

El petroli, el gas i el carbó representen el 90% de la producció d'energia mundial, la resta prové de recursos renovables.

La distribució de la producció i consum dels diferents combustibles és molt desigual. Alguns països gran productors de petroli i gas, donat el seu escàs desenvolupament són exportadors de petroli cru.

Reserves i jaciments

Les reserves provades són els recursos existents potencialment utilitzables amb les condicions tècniques i econòmiques actuals.

Els grans productors són:

Carbó: països de l'antiga URSS, la Xina, els Estats Units, Alemanya, Polònia, Sud-àfrica, l'Índia i Austràlia.

Petroli: països del golf Pèrsic, Estats Units, l'antiga URSS, Veneçuela, Indonèsia, Mèxic, Nigèria i Líbia.

Gas natural: països de l'antiga URSS, els del golf de Pèrsic, els Estats Units, Veneçuela, Indonèsia, Nigèria, Austràlia, Noruega, Malàisia, la Xina, Algèria i Líbia.

Urani: el Canadà, Sud-àfrica, els Estat Units, Namíbia i Níger.

La contaminació ambiental

Efecte hivernacle.

La pluja àcida

Les boires fotoquímiques

Les boires fotoquímiques es la creació sobre les ciutats d'una cúpula d'aire calent amb unes condicions atmosfèriques, inversió tèrmica i falta de vent, que carregada de partícules dels fum dels cotxes, centrals tèrmiques, indústries, etc., queda retinguda i no s'aixeca.

La contaminació radioactiva

Els residus que generen les centrals nuclears són radioactius i emeten radiacions perilloses per les persones, els animals i les plantes. Els grans problemes de les centrals nuclears són les emissions radioactives i la gestió dels residus radioactius.

14

Antracita. 95% de C. Aspecte brillant i crema amb flama i poca cendra. Difícil extracció.

Hulla. 75%-90% de C. Gran poder calorífic, impermeables i fácil destilació i es converteix en coc.

Lignit. 65%-75% de C. Carbons d'origen recent i poder calorífic baix

Torba. 60% de C i molta humitat. Estructura fibrosa vegetal. Es forma a les torberes.

6000 m

3000 m

1000 m

Indústria

especialitzada

Indústria

recuperadora

Energia

Incineradora

Piròlisi

Matèries elementals

Etilè

Propilè

Metà

Redidus de

Fabricació

Residus

de

plàstic

Consum

Productes

de

plàstic

Industria

elaboradora

M. Plàstiques

Granulat

Pols

Líquid

Indústria química

Matèries primeres

Derivats del petroli

Gas natural

Carbó

Quitrà

Residu

atmosfèric

Aigua

Aigua

Gas

Petroli

Roca impermeable

Torre

de buit

Petroli

cru

Forn

Torre

atmosfèrica

Butà

Propà

Gas lleuger

Gasolina (>40ºC)

Forn

Gasoil

Naftes

Querosè

Olis lubricants

Fuel-oil

Olis i asfalts

Querosè (200-300ºC)

Gasoil (300-375ºC)

Fuel-oil (≥350ºC)

Deuteri Triti

2 3

H H

1 1

4 1

He n

2 0

Energia

Neutró

Neutró

Neutró

Neutró

Nucli Neutró

d'Urani-235

Neutró

Productes

De la fissió

Nucli

d'urani-235 Neutró

Urani

natural

Emmagatzematge definitiu en formacions geològiques

Residus

d'activitat

Reelaboració

Transport

Enriquiment

Fabricació d'elements combustibles

Emmagatzematge intermig

Central nuclear

Urani

Plutoni

Emissió de CO2 i CFc

Calor que absorbeix la Terra

Calor retinguda per l'excés de CO2

Raigs infrarrojos que retornen a l'espai

Calor retinguda per l'excés de CO2

Energia

solar

Raigs retornats a l'atmosfera per la superficie de la Terra

Deposició humida: neu i pluja àcida

HNO3

H2SO4

Deposició

seca

Hifrocarburs NoxSOx

Emissions a l'atmosfera

Cotxes

Industries

...

Transformació química

NO2 HNO3

SO2 H2SO4