TECNOLOGIA

TEMA 2

ELS RECURSOS ENERGÈTICS

2.1 Energia i fonts d'energia

Les fonts d'energia al llarg del temps

Els elements existents a la natura, susceptibles de ser transformats en energia, els anomenarem fonts d'energia.

Els constants avenços tècnics i, sobretot, la invenció i la utilització del motor d'explosió va donar lloc al naixement i a la ràpida expansió de la indústria de l'automòbil, màquina que requeria benzina, un combustible derivat del petroli.

Els derivats del petroli presentaren grans avantatges respecte al carbó: més poder calorífic, absència de residus sòlids, més facilitat d'obtenció i transport i, sobretot, molt més econòmics.

El gas natural es comença a impulsar a partir de l'augment del consum energètic després de la Segona Guerra Mundial.

Classificació de les fonts d'energia

En funció de la seva naturalesa les podem classificar en primàries, les que es troben a la natura, i secundàries, les obtingudes a partir de les fonts primàries. En funció de les reserves disponibles, es classifiquen en:

- Fonts d'energia renovables: són les que tenen reserves il·limitades, es regeneren contínuament.

- Fonts d'energia no renovables o exhauribles: són les que tenen reserves limitades.

2.2 Fonts d'energia tradicional: foc, aigua i vent

L'escalfor del foc

El Sol fou la primera font d'energia que a utilitza la humanitat. El descobriment i el domini del foc va suposar una revolució i va permetre una gran quantitat d'aplicacions.

La força del vent

Tot i el caràcter irregular del vent, que fa difícil el seu aprofitament, ha estat utilitzat al llarg de la història, amb múltiples aplicacions:

Transport. Primer s'utilitza en el transport fluvial i més tard en el marítim.

Molins de vent. L'energia del vent es captà per a la seva transformació en energia mecànica.

L'impuls de l'aigua

La utilització dels corrents d'aigua ha estat fonamental per al progrés de la civilització. Es començaren a aprofitar els corrents i els salts d'aigua per aconseguir energia mecànica: s'aconseguí amb el desenvolupament de la roda hidràulica.

La roda hidràulica o molí d'aigua es comença a utilitzar en el segle I. Durant l'Imperi Romà, el seu ús s'estengué ràpidament i s'utilitzà per moldre gra. Amb el desenvolupament de la màquina de vapor (segle XIX) decreix el seu ús, però no s'abandona totalment.

A finals del segle XIX, amb el naixement de la indústria elèctrica, les turbines substitueixen les rodes, les màquines motrius que, impulsades per l'aigua, mouran els generadors elèctrics.

A finals del segle XII comença l'expansió dels molins paperers. A la baixa edat mitjana, es creen les fargues que creen un procediments autòcton per a l'obtenció del ferro, conegut com a farga catalana. A la segona meitat del S XIX, les indústries tèxtils, s'instal·len al costat dels rius Ter i Llobregat per aprofitar l'energia hidràulica, amb modernes turbines, i obtenir així energia mecànica per a les seves màquines.

2.3 El poder de la calor

Els materials combustibles

Els materials combustibles són substàncies que, en combinar-se amb l'oxigen, donen lloc al fenomen de la combustió, amb la qual cosa s'obté energia calorífica i, sovint, energia lluminosa.

El desenvolupament de la màquina de vapor suposa una revolució en la utilització de la calor com a principal element per obtenir energia mecànica. necessitaran noves fonts d'energia, més abundants i amb més poder calorífic.

Els combustibles fòssils són els combustibles naturals més abundats a la natura. En funció del ser estat físic es poden classificar en sòlids, líquids o gasosos:

- El combustible sòlid mes utilitzat és el carbó en qualsevol de les seves formes: antracita, hulla o lignit.

- La majoria de combustibles líquids provenen de la destil·lació del petroli.

- Els combustibles gasosos més utilitzats són 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, energia exotèrmica.

En els combustibles sòlids o líquids s'expressa en kcal/Kg o en Mj/kg; en els gasosos es pot expressar en kcal/m3, en condicions normals (CN), a la pressió d'1 atmosfera i a 0 ºC de temperatura.

Normalment els combustibles gasosos es distribueixen a pressions i temperatures diferents de les condicions normals. Per saber el seu poder calorífic en les noves condicions de pressió i temperatura s'utilitza la fórmula següent:

Pc = Pc (CN) · p · 273

273+T

La capacitat calorífica (C) és la quantitat de calor que ha de rebre una substància per elevar la seva tempertura en 1º K o 1º C. Llavors, la quantitat d'energia tèrmica (Q) necessària per elevar la temperatura d'un cos des de dos temperatures, es:

Q = C (T2-T1) = m·ce (T2-T1) ce és la calor específica del cos, que és la

capacitat calorífica per unitat de massa i es mesura en Mj/kg·ºC

2.4 Llenya i carbó

La llenya

La meitat de la humanitat depèn de la llenya per escalfar-se, il·luminar-se i cuinar. El carbó vegetal s'obté de la piròlisi o combustió parcial de la llenya amb poca presència d'oxigen.

El carbó mineral

El carbó és format essencialment per carboni, hidrogen, oxigen, nitrogen i altres components com ara sílex, òxids de ferro, sobre, etc.

El carbó mineral o simplement carbó és el primer combustible fòssil que va utilitzar la humanitat. A mitjans segle XX el seu consum disminuí sensiblement en favor del petroli, però amb la crisi energètica dels anys 70 i l'encariment espectacular del petroli se'n va revitalitzar el consum.

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

Origen i propietats

El carbó té el seu origen en els extensos boscos que cobrien la major part de la Terra fa milions d'anys.

La composició i el contingut de carboni és diferent en funció de les condicions de pressió i del temps de formació, i es poden distingir tres grups de carbons diferents:

- La torba conté aproximadament el 60% de C i molta humitat. A simple vista es pot comprovar la seva estructura fibrosa vegetal.

- Els lignits són carbons d'origen recent de poder calorífic baix, que produeixen moltes cendres quan cremen.

- Les hulles són carbons bituminosos o grassos, d'un elevat contingut en carboni i gran poder calorífic, impermeables, de fàcil destil·lació.

- Les antracites són els carbons més antics, de major poder calorífic i amb un contingut en carboni fins al 95%.

Processos d'obtenció

El carbó es troba en abundància a la Terra, en forma d'estrats o vetes de mineral de fins a 30m d'alçada. Segons la seva profunditat s'extreuen de diferents maneres:

- Explotació a cel obert. Es retira el material que cobreix el jaciment, el carbó queda al descobert i facilita la seva extracció. Es trenca i se n'obtenen grans quantitats de manera ràpida i econòmica. Una vegada acabada l'extracció, s'ha de cobrir el terreny i replantar.

- Explotació subterrània. S'excaven pous verticals fins a arribar a la veta i seguidament s'obren galeries en la seva direcció. El mineral es desprèn de la veta i es recull mecànicament. A peu de mina es tritura, es renta i es classifica, per tal d'eliminar les matèries estranyes que l'acompanyen i que en dificulten la combustió. El carbó desprèn un gas combustible, el grisú, que exigeix una ventilació constant, per evitar que es pugui acumular i explotar, la qual cosa provoca incendis i esfondraments a l'interior de la mina.

- Un nou mètode d'extracció que es troba en fase d'investigació és la gasificació del carbó en els jaciments. Consisteix en la introducció d'un agent gasificant a la veta del mineral, de la qual cosa resulta gas de carbó que s'utilitza com a combustible.

Aplicacions

- Com a combustible d'ús general, utilitzat directament sense cap transformació, a les centrals tèrmiques.

- Pel procés de destil·lació seca se n'obté: coc, gas ciutat i productes químics.

- Pel procés de gasificació s'obté el gas de síntesi, utilitzat directament com a combustible o per a l'obtenció de gas natural sintètic i hidrocarburs.

2.5 Petroli i derivats. Gas natural

El petroli

El petroli està constituït per una barreja d'hidrocarburs de composició diversa i en proporcions molt variables, segons el jaciment de procedència. Conté també petites quantitats de sofre, oxigen i nitrogen. El petroli brut no té aplicació directa; se n'han de separar els components per destil·lació a les refineries.

Del petroli s'obtenen combustibles i un seguit de productes derivats d'ús quotidià, i per tant l'economia mundial depèn en gran mesura del petroli.

Origen

La teoria més generalitzada afirma que el petroli va iniciar la seva formació fa uns 600 milions d'anys, per l'acumulació de microorganismes que constituïen el plàncton marí.

Localització i extracció

La localització d'una bossa de petroli resulta una tasca complicada i costosa. La prospecció es fa sempre en regions amb roques sedimentàries, les úniques amb possibilitats de contenir petroli.

Es construeix una torre de perforació i s'obre un pou de prova. Les torres són estructures metàl·liques resistents per suportar el pes d'una sonda que s'anirà enfonsant fins a travessar la roca. Si es troba petroli, s'analitza la quantitat del cru obtingut. Si l'avaluació és positiva es procedeix a l'extracció, que pot ser natural o artificial. La natural es produeix quan el petroli es troba pressionat i puja espontàniament pel tub de sondeig. En l'artificial, s'injecta aigua a través dels tubs de la sonda, que obliga el petroli a pujar a la superfície, o per mitjà de bombes aspirants. Moltes bosses de petroli es troben sota el mar. La seva obtenció és possible gràcies a les plataformes marines, estructures de grans dimensions que disposen dels equips necessaris per a la perforació de pous i l'extracció del petroli submarí.

Transformació en productes aptes per al consum

A les refineries es porten a terme un seguit de processos destinats a separar els diferents components o fraccions del petroli. Els més característics són:

- Destil·lació fraccionada. Consisteix en escalfar el cru fins a l'evaporació, per refredar-lo progressivament i obtenir les fraccions condensades separades en funció del seu punt d'ebullició.

- Cracking. Consisteix en la descomposició dels hidrocarburs més pesants per tal d'obtenir-ne de més lleugers.

- Polimerització. És el procés químic contrari al cracking: els hidrocarburs lleugers es converteixen en compostos més pesants.

- Reforming. S'utilitza per millorar les característiques de les benzines. Es fa a altres temperatures i en presència d'un catalitzador, com ara el platí.

El procés final consisteix en l'eliminació de les impureses químiques per fer aptes per al consum els diferents productes obtinguts.

Aplicacions dels productes obtinguts

Es poden utilitzar directament o com a matèries primeres per a la indústria petroleoquímica.

•Directament:

- Gas butà i propà - Èter del petroli - Benzina - Querosè - Gasoil

- Olis lubricants - Ceres de parafines - Fuel - Asfalt

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

- Plàstics - Fibres sintètiques - Detergents - Cautxú sintètic

- Dissolvents i pintures - Insecticides, explosius i productes farmacèutics

El gas natural

El gas natural, tal com es troba a la natura, és format bàsicament per metà, barrejat amb altres gasos en proporcions variables.

Origen, extracció i transport

La formació del gas natural prové d'un procés semblant al del petroli; per això, la localització i l'extracció, sigui a terra o sota el mar, es fa com la del petroli. Dels jaciments s'extreuen, aproximadament, el 85% de la capacitat total. El gas, abans del transport, és processat per eliminar les impureses, amb el qual s'obté, pràcticament, metà pur.

El transport als centres de consum es realitza amb gasoductes o amb vaixells metaners. En els gasoductes es transporta en estat gasós fins a les plantes de distribució.

Perquè el transport amb vaixell resulti econòmic s'ha de reduir el seu volum. El gas se sotmet a un procés de refredament en diferents etapes, fins a obtenir-ne gas natural liquat. La distribució des de la planta als llocs de consum exigeix una xarxa de canonades de diferents pressions, en funció de la proximitat dels llocs de consum.

Aplicacions

- La indústria, el comerç i l'habitatge.

- Les centrals tèrmiques mixtes. Es va imposant l'ús del gas natural, alternant-lo amb els combustibles tradicionals.

- Les instal·lacions de cogeneració. Consisteix en la producció simultània d'energia elèctrica i de calor útil.

- La indústria petroquímica com a matèria primera.

Combustibles gasosos

Quan un gas és capaç de reaccionar amb l'oxigen de l'aire de forma ràpida i amb alliberament de calor, s'anomena gas combustible. Cada combustible gasos requereix un tipus d'instal·lació adequada, estan agrupats en tres famílies:

- Primera família. Hi corresponen els gasos de poder calorífic en CN comprès entre 4000 i 5500 kcal/m3, el gas ciutat o manufacturat. S'obtenen a partir del carbó i a partir del petroli o del gas natural.

- Segona família. Gasos de poder calorífic en CN comprès entre 10000 i 13000 kcal/m3, el gas natural i l'aire propanat, que és una barreja d'aire amb propà.

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

2.6 Combustibles nuclears

Estructura de l'àtom

L'estructura dels àtoms, segons el model de Rutherford, està formada per un nucli amb el 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.

Un àtom es caracteritza pel nombre de protons que té el nucli. Tots els àtoms amb el mateix número de protons en el nucli són àtoms del mateix element.

El nombre de protons que un àtom d'un determinat element té en el seu nucli rep el nom de nombre atòmic (Z). El nombre de protons més el de neutrons rep el nom de nombre màssic o massa atòmica (A). Un element pot tenir diferents nombres màssics.

Són isòtops els àtoms del mateix element que es difereixen en el nombre de neutrons.

Radioactivitat. Vida mitjana d'un element radioactiu

La radioactivitat natural és el fenomen de la transformació o transmutació d'un nucli d'un àtom en un altre, sense cap ajuda exterior. Els materials en què es produeix aquest fenomen s'anomenen materials o elements radioactius.

En aquesta transmutació nuclear espontània surten del nucli de l'àtom partícules a gran velocitat anomenades radiacions. La radiació emesa pot ser de tres tipus, alfa , beta i gamma .

Aquestes radiacions són conegudes com a radiacions ionitzants, perquè tenen energia suficient per penetrar la matèria i ionitzar-ne els àtoms i/o les molècules.

Henry Becquerel va descobrir la radioactivitat natural l'any 11896, en observar la radiació en el mineral d'urani. Després el matrimoni Curie va trobar que tots els mineral d'urani i tori la tenien. També tots els compostos de radi i d'actini són radioactius. Irène Curie i el seu espòs Frédéric Joliot descobreixen la radioactivitat artificial el 1934. Tot element radioactiu es caracteritza pel temps de semidesintegració, anomenat vida mitjana, que 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.

Quan neutrons i protons formen un nucli, perden una determinada massa, i aquesta transformació d'energia és l'energia d'enllaç. La pèrdua de massa convertida en energia apareix en forma de radiació i d'una gran velocitat en les partícules i elements resultants, en energia tèrmica.

Reaccions nuclears

Qualsevol procés que implica el nucli d'un àtom s'anomena reacció o transmutació nuclear.

La radioactivitat és una reacció nuclear i es poden aconseguir petites quantitats d'energia; existeixen dos tipus de reaccions nuclears artificials:

Reaccions de fusió

En les reaccions de fusió s'uneixen nuclis d'elements lleugers per formar nuclis més pesats.

Calen grans quantitats d'energia per iniciar la reacció, ja que els nuclis tenen càrrega positiva i es repel·leixen quan s'acosten. Aquestes repulsions només es poden vèncer si les partícules tenen una energia cinètica molt gran.

Es poden aconseguir reaccions de fusió escalfant les partícules a temperatures de 100·106; llavors els electrons i nuclis dels àtoms formen una barreja de partícules carregades positivament i negativament, sense una estructura atòmica que els lligui, el quart estat de la matèria o plasma.

Reaccions de fissió

Les reaccions de fissió consisteixen a provocar la ruptura del medi d'un àtom amb l'impacte d'un neutró.

Bohr va demostrar que encara que l'urani és una barreja de tres isòtops, només l'U-235 és capaç de trencar-se.

El reactor nuclear 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 nuclear

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

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

HI ha reactors que utilitzen com a combustible l'urani natural, malgrat la majoria de reactors comercials necessiten l'urani enriquit.

Cicle combustible

La localització de jaciments d'urani és molt senzilla gràcies a la dèbil radioactivitat que emet. Es sotmet a una sèrie de transformacions que formen part del cicle del combustible: es separa l'òxid d'urani i s'obté una pasta groga. Hi ha diferents mètodes per a l'enriquiment d'urani, com la difusió gasosa i la centrifugació.

Residus radioactius

El funcionament dels reactors nuclears produeixen una sèrie de residus que han de ser sotmesos a tractaments especials.

Els residus radioactius en classifiquen en gasosos, líquids i sòlids de baixa, mitjana i alta activitat.

• Els residus gasosos. Provenen de centrals nuclears, se sotmeten a un procés de filtratge i retenció fins disminuir l'activitat.

• Els residus líquids. Provenen de centrals nuclears i són filtrats i els fangs obtinguts són barrejats amb una massa de formigó. La part líquida és depurada i es torna a reincorporar al procés.

• Els residus sòlids de baixa i mitjana activitat, amb els fangs dels residus líquids, són barrejats amb una massa de formigó i tancats hermèticament en bidons d'acer de doble paret.

• El residus sòlids d'alta activitat. Provenen del combustible nuclear, i són altament radioactius produïts per la fissió. Es guarden en barres de combustible. Quan s'extreu el combustible gastat es dipositen durant uns mesos en una piscina de formigó per amortir-ne l'activitat. Al cap d'un temps es fiquen en contenidors especials i s'envien a les plantes de reelaboració, per tal de recuperar el combustible no fisionat. La resta, es col·loquen en dipòsits subterranis de doble paret, que enmig de les parets té aigua per refrigerar.

2.7 Importància econòmica dels recursos energètics

Producció i consum

El petroli, el gas i el carbó representen el 90% de la producció d'energia mundial; la resta prové de les centrals nuclears, de la força hidràulica i d'altres recursos renovables.

La distribució de la producció i consum dels diferents combustibles és molt desigual. El carbó s'acostuma a utilitzar als països productors, pel cost que representa el seu transport, en canvi, alguns països grans 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.

2.8 La contaminació ambiental

Efecte hivernacle. Nivells de CO2

L'efecte hivernacle és un augment de la temperatura que experimenta l'atmosfera i que a causa dels gasos hivernacle, deixa passar la radiació visible però al rebotar, no la deixa sortir.

Els nivells naturals de CO2 i altres gasos hivernacle fan possible la vida a la Terra ja que regulen la temperatura. Però l'augment d'alguns, pot incrementar l'efecte hivernacle i produir un reescalfament del clima, amb resultats imprevisibles.

La pluja àcida

Els òxids de sofre i de nitrogen són uns altres contaminats perillosos, que s'introdueixen a l'atmosfera quan es cremen combustibles fòssils. Quan entren en contacte amb el vapor d'aigua, la llum i l'oxigen de l'atmosfera es transformen en àcid sulfúric i àcid nítric. Amb el contacte de pluja, els flocs de neu, etc, es produeix la pluja àcida, que provoca un augment de l'acidesa dels llacs, dels rius i torrents d'aigua dolça i en alguns casos, fins i tot, dels sòls.

La deposició seca contamina les rodalies del focus emissor i la deposició humida causa contaminació a centenars de km. L'acidesa d'una substància es mesura pel seu pH.

La pluja àcida pot afectar greument la vida de les espècies animals i vegetals ja que es produeix la lixiviació, la pluja àcida no deixa que les plantes agafin els nutrients del subsòl i erosiona les estructures.

Les boires fotoquímiques

Amb unes determinades condicions atmosfèriques, es crea sobre les ciutats una cúpula d'aire calent que carregades de contaminació, queda retinguda i no s'aixeca i es provoquen les boires fotoquímiques.

La contaminació radioactiva

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