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Tecnología industrial
TEMA: INTRODUCCIÓN A LAS ENERGÍAS
1. Definición de energía. Unidades.
Es la capacidad o aptitud que tienen los cuerpos para realizar un trabajo. Entendiéndose por trabajo todo proceso en el que una fuerza desplaza o deforma un cuerpo.
Si un cuerpo realiza un trabajo su energía disminuye porque utiliza una cantidad de energía igual al trabajo realizado. Pero si sobre un cuerpo se realiza un trabajo, su energía aumenta igual al trabajo recibido.
La energía liberada o acumulada por el cuerpo tendrá las mismas unidades que la magnitud trabajo. En el sistema internacional SI es el julio (trabajo realizado por la fuerza de 1 Newton cuando se desplaza su punto de aplicación 1 metro)
Otras unidades de energía:
Caloría (energía térmica = 4,184 julios) la caloría es la cantidad de calor necesaria para elevar un grado de temperatura a un gramo de agua, a presión atmosférica normal. La cantidad de calor Q, en función de la masa m, y de la variación de temperatura Tf - Ti, viene dada por: Q = m · Ce · (Tf -Ti), donde Ce es el calor especifico de la materia que se trate.
Kilowatio-hora (energía eléctrica = 3,6 · 10elevado a 6 julios). Indica el trabajo o energía desarrollada o consumida por un ser o maquina durante 1 hora de funcionamiento.
Con la aparición de la Teoría de la Relatividad, de Einstein, se establece una equivalencia entre la masa y la energía, siendo el factor de transformación de la masa en la energía el cuadrado de la velocidad de la luz: E = m · c²
2. Formas de energía:
• Energía mecánica: cinética y potencial:
La energía mecánica engloba la energía potencial (cuando el cuerpo esta en reposo) y la energía cinética (cuando el cuerpo esta en movimiento)
Energía cinética: es la energía que posee un objeto debido a su movimiento. Un cuerpo dotado de movimiento posee una energía igual al producto de su masa por su velocidad al cuadrado:
E = ½ · m · v ²
Donde m es la masa del objeto y v cuadrado la velocidad del mismo elevada al cuadrado. El valor de E también puede derivarse de la ecuación:
E = (m · a) · d
Donde a, es la aceleración de la masa m y d la distancia a lo largo de la cual acelera.
Energía potencial: es la energía que poseen los cuerpos como resultado de su posición. Su valor es dado por:
Epotencial = m · g · h
Donde m es la masa, g la aceleración de la gravedad y h la altura a la que esta el cuerpo.
• Energía eléctrica:
La energía eléctrica se produce por el movimiento de cargas eléctricas, específicamente electrones (cargas negativas que giran alrededor del núcleo de los átomos) a través de un cable conductor.
Cada vez que se acciona un interruptor, se genera un movimiento de millones de electrones, los que circulan a través de un cable conductor metálico. Las cargas que se desplazan forman parte de los átomos que conforman el cable conductor. Los electrones se mueven desde el enchufe al aparato eléctrico -ya sea lavadora, radio, televisión, etcétera- lo que produce un tránsito de energía entre estos dos puntos.
La energía eléctrica puede hacer funcionar distintos aparatos y se transforma en otras manifestaciones de ella. Por ejemplo, cuando la energía eléctrica llega a una enceradora, se transforma en energía mecánica, calórica y en algunos casos luminosa. Lo mismo se puede observar cuando funciona un secador de pelo o estufa.
• Energía térmica: conducción, convección y radiación
Es la energía interna de los cuerpos que se manifiesta al exterior en forma de temperatura
Conducción:
La conductividad térmica es una propiedad de los materiales que valora la capacidad de conducir el calor a través de ellos. Es elevada en metales y en general en cuerpos continuos, y es baja en los gases (a pesar de que en ellos la transferencia puede hacerse a través de electrones libres) y en materiales iónicos y covalentes, siendo muy baja en algunos materiales especiales como la fibra de vidrio, que se denominan por eso aislantes térmicos. Para que exista conducción térmica hace falta una sustancia, de ahí que es nula en el vacío ideal, y muy baja en ambientes donde se ha practicado un vacío elevado.
En algunos procesos industriales se trabaja para incrementar la conducción de calor, bien utilizando materiales de alta conductividad o configuraciones con un elevado área de contacto. En otros, el efecto buscado es justo el contrario, y se desea minimizar el efecto de la conducción, para lo que se emplean materiales de baja conductividad térmica, vacíos intermedios, y se disponen en configuraciones con poca área de contacto.
Conveccion:
La convección es una de las tres formas de transferencia de calor y se caracteriza porque ésta se produce a través del desplazamiento de materia entre regiones con diferentes temperaturas. La convección se produce únicamente en materiales fluidos. Éstos al calentarse disminuyen su densidad y ascienden al ser desplazados por las porciones a menor temperatura que, a su vez, descienden y se calientan repitiendo el ciclo. El resultado es el transporte de calor por medio de las parcelas de fluido ascendente y descendente.
La transferencia de calor implica el transporte de calor en un volumen y la mezcla de elementos macroscópicos de porciones calientes y frías de un gas o un líquido. Se incluye también el intercambio de energía entre una superficie sólida y un fluido.
En la transferencia de calor por convección forzada se provoca el flujo de un fluido sobre una superficie sólida por medio de una fuerza externa como lo es una Bomba, un ventilador u otro dispositivo mecánico.
En la transferencia de calor por convección libre o natural en la cual un fluido es más caliente o más frío y en contacto con una superficie sólida, causa una circulación debido a las diferencias de densidades que resultan del gradiente de temperaturas en el fluido.
Radiación:
La radiación es un modo de propagación de la energía a través del vacío, de forma análoga a la luz. En sentido estricto refiere a la energía transportada por ondas electromagnéticas, llamada radiación electromagnética. No obstante, se utiliza también para referirse al movimiento de partículas a gran velocidad en el medio, con apreciable transporte de energía, que recibe el nombre de radiación corpuscular.
Si el transporte de energía es suficientemente elevado como para provocar ionización en el medio circundante, se habla de radiación ionizante. Aunque no es del todo correcto, es habitual emplear la palabra radiación para referirse a las radiaciones ionizantes.
• Energía química:
Es la energía que poseen los compuestos y se pone de manifiesto mediante las reacciones químicas
Es aquel producto de una combustión (cualquier sustancia que arde o se “quema”, reacción en la cual se combina el oxígeno del aire con la materia del cuerpo que arde. Durante la combustión se producen luz y calor. Cuando las moléculas se rompen se libera energía química.
• Energía radiante:
Se trata de una energía que está en transito en el espacio. Se emite cuando chocan dos electrones al cambiar de órbita, o cuando los núcleos atómicos están realizando una fusión o fisión nuclear.
Es la energía de las ondas electromagnéticas: rayos gamma, equis y ultravioleta; rayos luminosos e infrarrojos, ondas hertzianas. Como las que emiten las antenas de las emisoras de televisión, que producen, entre otras transformaciones en la sonoridad o luminosidad de los aparatos que reciben (televisores).
• Energía nuclear:
Es la energía que proviene de las reacciones nucleares o de la desintegración de los núcleos de algunos átomos.
3. Transformaciones energéticas:
• Primer principio de la Termodinámica
También conocido como principio de la conservación de la energía, la Primera ley de la termodinámica establece que si se realiza trabajo sobre un sistema, la energía interna del sistema variará. La diferencia entre la energía interna del sistema y la cantidad de energía es denominada calor. Fue propuesto por Antoine Lavoisier.
En otras palabras: La energía no se crea ni se destruye solo se transforma. (Conservación de la energía).
• Rendimiento de una máquina térmica
Un concepto importante en la ingeniería térmica es el de rendimiento. El rendimiento de una máquina térmica que funciona entre un foco frío Qc y uno caliente Qh se define como:
Donde W es el trabajo proporcionado por la máquina.
Carnot demostró que el rendimiento máximo de una máquina es proporcional a la diferencia de temperatura de sus focos:
Donde TcyTh son las temperaturas del foco frío y foco caliente medidas en Kelvin.
Este rendimiento máximo es el correspondiente al de una máquina térmica reversible la cual es sólo una idealización, por lo que cualquier máquina térmica construida tendrá un rendimiento menor que el de la máquina reversible operando entre los mismos focos. Lo cual constituye el teorema de Carnot.
• Transformaciones de energías entre sí:
Energía mecánica puede transformarse en:
Energía térmica. La fricción entre piezas se transforma en calor
Energía eléctrica. El movimiento de conductores en el interior de campos magnéticos se transforma en energía eléctrica.
Energía eléctrica puede transformarse en:
Energía mecánica. Al circular corriente eléctrica por conductores situados en campos magnéticos, crean campos magnéticos; los dos campos originan un par de fuerza, que pone a los conductores en movimiento.
Energía térmica. Cuando la corriente eléctrica recorre una resistencia, por efecto Joule, se produce calor.
Energía química. En los procesos de electrolisis.
Energía radiante o luminosa en las lámparas de incandescencia, la corriente eléctrica que recorre el filamento lo pone incandescente y emite radiación visible. En las lámparas de descarga, el paso de corriente eléctrica entre los electrodos situados en un tubo que contiene gases nobles y vapores metálicos produce luminiscencia.
Energía térmica puede transformarse en:
Energía mecánica. En las centrales térmicas se calientan masas de agua para convertirlas en vapor que mueve turbinas
Energía eléctrica. Realizada en los convertidores termoeléctricos y termoiónicos.
Energía química. Por medio de la termólisis.
Energía química puede transformarse en:
Energía mecánica. En los seres vivos a través de los alimentos
Energía térmica. Al quemar combustibles se desprende calor.
Energía eléctrica. En las baterías y pilas.
Energía radiante puede transformarse en:
Energía térmica. Los rayos del sol al incidir sobre los cuerpos los calienta.
Energía eléctrica. En las células solares fotovoltaicas.
Energía química. En las plantas por la fotosíntesis.
Energía nuclear puede transformarse en:
Energía térmica. Por medio de la fisión o fusión de los núcleos atómicos.
TEMA: USO RACIONAL DE LA ENERGÍA
1. Medidas para ahorrar energía en la vivienda.
Iluminación
La luz es una de las necesidades energética más profundamente arraigadas en el hombre.
La sugerencia de ahorro de energía en la iluminación está relacionada con su máximo aprovechamiento.
La luz del sol es la más natural de todas y también la de menor costo. La consigna es aprovecharla al máximo, mantenimiento abiertas cortinas y persianas, para utilizar luz natural todo tiempo posible. Es importante, en este sentido, el diseño arquitectónico de las viviendas.
Se debe tener en cuenta que no todos los espacios de la casa tienen las mismas necesidades de iluminación. Se debe distinguir los distintos ambientes y la utilización que se hace de ellos y escoger el tipo de lámparas que solucionan los diferentes requerimientos de iluminación.
Pintar las paredes de colores claros, preferentemente blanco, así reflejan y distribuyen mejor los rayos luminosos.
Limpiar periódicamente lámparas y artefactos, si están sucios, pierden su eficiencia.
No dejar nunca luces encendidas en habitaciones o zonas desocupadas.
Utilizar para la iluminación lámparas fluorescentes o de bajo consumo: dan la misma cantidad de luz que la lámpara común (incandescentes) pero consumen comparativamente un 20 % de la electricidad. Además, la vida útil de estas lámparas es aproximadamente 8 veces mayor a las incandescentes.
Calefacción
Cualquiera sea el tipo de calefacción que se disponga, las medidas a adoptar para reducir el consumo energético se agrupan alrededor de tres ideas.
a) El aislamiento
Una parte del calor escapa de las viviendas por las paredes, ventanas, caja de las persianas, etc.
Instalar algún tipo de aislamiento térmico en paredes y techo, por ejemplo, paneles de telgopor.
Instalar doble acristalamiento en las ventanas.
Instalar burletes adhesivos en los cierres de puertas exteriores y ventanas, cerrando así las rendijas.
b) La temperatura
En condiciones normales, la temperatura exterior con la que el cuerpo humano encuentra la sensación de bienestar es ligeramente inferior a los 20º C. Es completamente errónea la idea de que cuando más calor hace en una casa más confortable resulta. Por ello:
Intentar mantener la temperatura en el hogar alrededor de los 20 º C.
Para dormir suele ser suficiente una temperatura entre 15 y 17 º C.
Tratar de no usar la calefacción para mantener un ambiente precisamente opuesto al que impone la estación del año: estar completamente desabrigado dentro de la casa en invierno no sólo es perjudicial para la salud sino un consumo innecesario de energía.
c) Buenas costumbres en cuanto a la utilización.
Para la calefacción el mejor sistema es el gas natural. Los calentadores eléctricos tienen un consumo energético mucho mayor.
Apagar la calefacción por la noche.
No encender la calefacción hasta después de haber ventilado la casa y cerrado las ventanas
Aire acondicionado
El funcionamiento del acondicionador de aire depende casi exclusivamente de la electricidad y su uso racional implica por ende un ahorro de energía.
No enfriar en exceso. Una temperatura del orden de los 25 º en verano, en el interior de la vivienda brinda una suficiente sensación de bienestar. Por cada grado de temperatura por debajo de los 25 º C que se exija al acondicionador, este consumirá aproximadamente un 8 % más de energía.
En muchos casos es posible combatir el calor basándose en un simple ventilador, cuyo consumo eléctrico es muy bajo.
Instalar toldos y persianas, que impiden las radiaciones directas del sol y disminuyen, por lo tanto, la necesidad de refrigerar.
Desconectar el acondicionador cuando no haya nadie en la vivienda o habilitación que se está refrigerando.
Revisar periódicamente el acondicionador, para comprobar si existen fugas de “gas freón“(el fluido refrigerante). Tener en cuenta que el escape de esta sustancia en forma de vapor a la atmósfera es el principal causante de la destrucción de la capa de ozono. Realizar la limpieza del filtro que atrapa la polución ambiente, bajando de esta forma el rendimiento del equipo.
Baño
Como criterio general, el uso de la electricidad para obtener agua caliente no resulta aconsejable. Es preferible el uso de calefones a gas.
No instalar los calefones o termo tanques lejos del cuarto de baño, lavadero y cocina, debido a las pérdidas de calor en las tuberías.
No tener encendido permanentemente el calefón, menos aún, dejarlo encendido por la noche si se va a utilizar el agua caliente a la mañana siguiente.
Ajustar el termostato del calefón o termo tanque para obtener una temperatura ligeramente superior a los 40 º c. Esta es más que suficiente no sólo para la higiene sino para la sensación de comodidad.
Preferir la ducha antes que las bañeras. La ducha consume aproximadamente de 30 a 40 litros de agua templada, en cuanto a la bañera el consumo es de 100 a 130 litros.
No prolongar inútilmente el tiempo de las duchas.
Verificar que no haya canillas que goteen.
Cocina
La cocina es el lugar de la casa donde habitualmente se concentran la mayor parte de los electrodomésticos que consumen energía eléctrica para calentar resistencias eléctricas o para mover los motores que los accionan. Realizar con éstos solo el uso necesario.
Congelador
Mantener la parte trasera de la heladera limpia y bien ventilada.
Ubicarla lejos de los focos de calor (sol, horno, calefacción).
Verificar la estanqueidad de la puerta de la heladera y el congelador.
No introducir nunca comidas calientes.
No abrir la heladera inútilmente, y nunca por tiempos prolongados.
Descongelar periódicamente evitando que el espesor de escarcha supere los 5 mm. Debido a esto se baja el rendimiento del equipo y por lo tanto la heladera marcha más tiempo para mantener el grueso hielo del congelador.
Cocina
Optar por cocinas a gas en lugar de eléctricas.
No dejar que la llama sobrepase la base de los recipientes.
Cocinar siempre con las ollas tapadas.
Utilizar horno para cocinar grandes cantidades de alimentos.
No abrir innecesariamente la puerta del horno cuando esté ésta en funcionamiento.
Aprovechar la cocción residual para completar la cocción de los alimentos.
La limpieza es muy importante para el mantenimiento y óptimo funcionamiento de las hornallas, especialmente si la cocina es a gas.
Lavadora
Salvo cuando la ropa esté muy sucia y se requiere emplear agua caliente procurar siempre lavar con agua fría o a baja temperatura.
Tratar de utilizar siempre el lavarropas y el secarropas a plena carga, se ahorra energía y es mejor el rendimiento de la máquina.
Aprovechar en lo posible la energía directa del sol para secar su ropa.
Evitar usar la plancha para pocas prendas.
En lo posible utilizar plancha a vapor.
Secar la ropa con la plancha es muy costoso
Artefactos en General
El consumo de energía está asociado con el tiempo de funcionamiento del equipo, usar solo lo necesario es la clave.
Los artefactos que se manejan a control remoto como ser: televisores, video caseteras, mini componentes y otros que permanecen conectados las 24 Hs. en espera de ser puestos en funcionamiento, su fuente de alimentación está consumiendo energía inútilmente mientras está apagado. Una forma de ahorrar sería conectarlo solo cuando lo vamos a utilizar.
2. Medidas para ahorrar energía en el transporte.
Mejoras en el diseño aerodinámico de los automóviles
disminución de peso
las nuevas tecnologías usadas en la construcción de los motores permiten ya un ahorro energético.
Se están construyendo prototipos de coches que funcionan con electricidad, con metanol o etanol o con otras fuentes de energía alternativas que contaminan menos y ahorran consumo de petróleo. (Los coches eléctricos son interesantes siempre que consuman electricidad producida con gas, energía solar o hidrógeno
El uso de hidrogeno como combustible. Se esta estudiando la manera de producirlo con ayuda de células fotovoltaicas, cuya electricidad se usa para descomponer el agua por electrolisis en hidrogeno y oxigeno. Después el hidrogeno se usa como combustible en el motor del coche. Vuelve a unirse con el oxigeno en una reacción que produce mucha energía, pero que no contamina prácticamente nada, pues regenera vapor de agua
Recomendaciones:
- adopción de estrategias regionales para la planificación del uso del suelo. Es recomendable desarrollar sistemas de transporte que orienten el crecimiento urbano hacia sitios previamente definidos por la planificación.
-fortalecimiento del servicio de transporte publico. Para fomentar el uso del transporte público es necesario aumentar y mejorar el servicio.
-mejora de la infraestructura vial. Es necesario mantener en condiciones aceptables los niveles de servicio de la red vial.
-administración de la demanda. El establecimiento de sistemas de transporte institucional y escolar tendría efectos inmediatos en la reducción de viajes privados y, por lo tanto en la reducción de congestión vial. También tendría estos efectos el uso adecuado de carriles exclusivos para vehículos de alta capacidad. Otras alternativas de administración de la demanda incluyen el establecimiento de horarios de trabajos flexibles o escalonados.
-reducción de las emisiones de vehículos. El transporte de carga es una de las principales fuentes de contaminación del aire. Por ellos, es necesaria la instrumentación de medidas para la conservación y modernización de la flota de camiones. También se requiere el desarrollo de infraestructura para la mejor organización del sistema de carga, tales como nuevas centrales de consolidación de carga y la definición de rutas y horarios que reduzcan el transito de vehículos pesados dentro de la ciudad,
-ahorro de energía en el transporte. El establecimiento de normas de economía de combustible es importante para incentivar que la industria automotriz introduzca vehículos más eficientes, con menores emisiones de contaminantes locales y de gases de efecto invernadero.
3. Medidas para ahorrar energía en la industria.
Reciclar las materias primas, las tres cuartas partes de la energía consumida por la industria se usa para extraer y elaborar las materias primas. Por ejemplo obteniendo los metales de la chatarra se minimiza el uso de la energía, reciclando el acero solo se usa un 14% de la energía que seria necesaria para obtenerlo de una mina y en el caso del aluminio un 5% de la que se emplearía.
En los sistemas de iluminación:
-limpiando periódicamente las lámparas, la suciedad disminuye el nivel de iluminación de una lámpara hasta un 20%.
-apagando las luces que no necesiten estar encendidas constantemente
-evaluando la posibilidad de utilizar la luz natural usando colores claros en paredes, muros y techos, porque los colores oscuros absorben gran cantidad de luz y obligan a utilizar mas lámparas
- reemplazando las lámparas convencionales por otras de bajo consumo
-utilizando pantallas y equipos apropiados a cada actividad.
En los motores eléctricos:
-evitando el arranque y la operación simultanea de motores, sobre todo los de mediana y gran capacidad, para disminuir el valor máximo de la demanda
-evitando la operación en vacío de los motores
- verificando periódicamente la alineación del motor con la carga impulsada, una alineación defectuosa puede incrementar las perdidas por rozamiento y en caso extremo ocasionar daños mayores en el motor y en la carga
-corregir la caída de tensión en los alimentadores, una tensión reducida en los terminales del motor, genera un incremento de la corriente, sobrecalentamiento y disminución de su eficacia
-utilizando arrancadores a tensión reducida en aquellos motores que realizan un numero elevado de arranques.
En los transformadores:
-no sobrecargando el transformadores, así se reducen las perdidas en el cobre
-evitando los transformadores a baja carga
-revisando el nivel y rigidez dieléctrica del aceite cada 6 meses, con el fin de controlar la capacidad aislante y refrigerante del mismo
-realizando una limpieza periódica del transformador.
En los sistemas de refrigeración y climatización:
-cerrando herméticamente las puertas de los equipos de refrigeración para impedir la entrada de aire caliente al espacio refrigerado
-limpiando con frecuencia los filtros y los condensadores de los equipos de refrigeración
-asegurando el control de la temperatura, regulando el termostato convenientemente
En los sistemas de bombeo:
-revisando los filtros de la bomba.
-limpiando los con frecuencia para evitar que las obstrucciones ocasionen sobrecargas que aumenten innecesariamente su consumo de energía
-verificando periódicamente que no haya fuga en los empaques interiores
-revisando toda la instalación de la tubería para verificar que no existan fugas, en especial en las uniones de los tramos de tubería
-instalando controles automáticos para arrancar y parar el motor de la bomba, así se evitara que este ultimo siga consumiendo energía eléctrica cuando la bomba haya dejado de funcionar.
En las instalaciones eléctricas:
-los conductores sobrecargados presentan temperaturas superiores a las normales. Esto produce perdidas por calentamiento y riesgo de producirse cortocircuitos o incendios, también se ahorra energía compensado la energía reactiva.
4. Fuentes de energía: renovables y no renovables.
Fuentes de Energía Renovables
Las energías renovables son aquellas que llegan en forma continua a la Tierra y que a escalas de tiempo real parecen ser inagotables.
Ejemplos:
Energía Hidráulica
Energía Solar
Energía biomasa
Energía Mareomotriz
Fuentes de Energía No Renovables
Son fuentes de energía no renovables aquellas que se encuentran en forma limitada en nuestro planeta y se agotan a medida que se les consume.
Ejemplos:
El carbón.
El petróleo
El Gas Natural
La energía geotérmica
La energía nuclear
5. La energía eléctrica: tipos de centrales eléctricas.
Existen diversos tipos de centrales eléctricas que vienen determinados por la fuente de energía que utilizan para mover el rotor. Estas fuentes pueden ser convencionales (centrales hidráulicas o hidroeléctricas, térmicas y nucleares) y no convencionales (centrales eólicas, solares, maremotrices y de biomasa).
Dentro de las energías no convencionales, las energías solares y eólicas son las que mayor implantación tienen en la actualidad, pero de está experimentando el uso de otras energías renovables, como la oceánica, además de la utilización de residuos orgánicos como fuente de energía.
Centrales Hidráulicas o Hidroeléctricas
En este tipo de centrales se aprovecha la energía potencial debida a la altura del agua para, haciéndola caer, convertirla en energía cinética. Esta energía moverá los álabes (paletas curvas) de una turbina situada al pie de la presa, cuyo eje está conectado al rotor de un generador, el cual se encarga de transformarla en energía eléctrica.
Si el agua desciende hasta un embalse situado a menor altura para, con posterioridad, ser bombeada hasta que alcance el embalse superior, con objeto de utilizar de nuevo, nos encontramos frente una central hidráulica de bombeo. Este tipo de central se construye en zonas donde existe la posibilidad de que en ciertas épocas del año no llegue suficiente agua al embalse superior y, por tanto se necesite un aporte del inferior.
Centrales Térmicas
En estas centrales, la energía mecánica, necesaria para mover las turbinas que están conectadas al rotor del generador, proviene de la energía térmica (debida al movimiento de moléculas) contenida en el vapor de agua a presión, resultado del calentamiento del agua en una gran caldera.
El combustible que se utiliza para producir vapor de agua determina el tipo de central térmica: de petróleo (fuel), de gas natural o de carbón.
El proceso, en términos generales, es el siguiente: se utiliza uno de los combustibles citados para calentar el agua. A continuación, el vapor de agua producido se bombea a alta presión para que alcance una temperatura de 600 º C. Acto seguido, entra en una turbina a través de un sistema de tuberías, hace girar la turbina y produce energía mecánica, la cual se transforma en energía eléctrica por medio de un generador que está acoplado a la turbina.
Centrales Nucleares
Se trata de centrales térmicas en las que la caldera ha sido sustituida por un reactor nuclear. Este, por reacciones de fisión (rotura) de los núcleos atómicos del combustible nuclear, generalmente uranio enriquecido (isótopo de uranio, 235 y 238), libera el calor necesario para calentar el agua y transformarla en el vapor que moverá las turbinas de un generador.
La ventaja principal de las centrales nucleares es su rentabilidad en la producción de energía; sin embargo, sus inconvenientes primordiales son la gestión y almacenamiento de los residuos radiactivos, así como el riesgo que para la población conlleva los posibles accidentes nucleares.
Centrales Eólicas
En las centrales eólicas o parques eólicos se aprovecha la energía cinética del viento para mover las palas de un rotor situado en lo alto de una torre (aerogenerador).
La potencia total y el rendimiento de la instalación depende de dos factores: la situación del parque (velocidad y cantidad de horas de viento) y el número de aerogeneradores de que dispone.
Los aerogeneradores actuales alcanzan el máximo rendimiento con vientos de unos 45 Km. /h de velocidad mínima necesaria para comenzar a funcionar de unos 20 Km. /h, y la máxima, por razones de seguridad, de 100 Km. /h.
Existe un tipo de centrales eólicas denominadas aisladas. Se trata de instalaciones de reducido tamaño que las pequeñas industrias, estaciones de bombeo en explotaciones agrarias, viviendas, etc., utilizan para su autoconsumo.
Centrales Solares
Son instalaciones en las que se utiliza la energía procedente del sol. Existen dos clases principales de instalaciones, según el proceso de transformación usado: centrales fototérmicas y centrales fotovoltaicas.
Centrales Fototérmicas
En las centrales fototérmicas, la radiación solar se aprovecha de dos formas: con colectores solares, que absorben las radiaciones solares para producir calor, o con helióstatos, que reflejan la luz solar y la concentran en un punto para su utilización calorífica; en concreto para calentar el agua de una caldera. En ambos casos, el vapor de agua producido se emplea para mover el rotor de un generador.
Centrales Fotovoltaicas
En las centrales fotovoltaicas se transforman en energía eléctrica mediante paneles de células fotovoltaicas, las radiaciones electromagnéticas emitidas por el sol.
Al igual que ocurre con la energía eólica, también existen centrales aisladas.
Las aplicaciones de la energía solar son muy variadas: desde alimentación de pequeñas calculadoras de bolsillo hasta el uso en automoción y astronáutica.
Centrales de Biomasa
La biomasa está constituida por todos los compuestos orgánicos producidos por procesos naturales.
La energía de la biomasa se puede obtener a partir de vegetación natural, residuos forestales y agrícolas (restos de poda, pajas, rastrojos) o cultivos específicos, como el girasol y la remolacha (cultivos energéticos).
La central de biomasa quema este tipo de combustible para producir vapor de agua, el cual mueve una turbina que, conectada a un generador, produce electricidad.
6. Cogeneración.
La cogeneración es el procedimiento mediante el cual se obtiene simultáneamente energía eléctrica y energía térmica útil ( vapor, agua caliente, aire caliente, por ejemplo).
La gran ventaja de la cogeneración es la eficiencia energética que se puede obtener. Por eficiencia energética entendemos la energía útil que obtenemos sobre la energía entregada por el combustible utilizado.
Al generar electricidad con un motor generador o una turbina, el aprovechamiento de la energía en el combustible es del 25% al 35%, lo demás se pierde. Al cogenerar se puede llegar a aprovechar el 70% al 85% de la energía que entrega el combustible.
Los sistemas de cogeneración pueden clasificarse según su orden de producción de electricidad y energía termia en:
Sistemas superiores:
Son los mas frecuentes son aquellos en los que una fuente de energía primaria (gas natural, carbón o similares) se utiliza directamente para la generación de energía eléctrica en el primer escalón. A partir de la energía química del combustible se produce un fluido caliente que se destina a generar la energía mecánica, la energía térmica resultante , el denominado calor residual, como vapor o gases calientes, es suministrada a los procesos industriales ya sea para secado, cocimiento o calentamiento, que constituyen el segundo escalón. Este tipo de sistemas es usado principalmente para la industria textil, petrolera y otras mas donde sus requerimientos de calor son moderados o bajos, con temperaturas de 250ª a 600ª
Sistemas inferiores:
La energía primaria se utiliza directamente para satisfacer requerimientos térmicos del proceso del primer escalón y la energía térmica, residual o de desecho, se usara para la generación de la energía eléctrica en el segundo escalón. Los ciclos inferiores están asociados con los procesos industriales en los que se presentan altas temperaturas como el cemento, la siderurgia, la vidriería y la química. En tales procesos resultan calores residuales de 900º que pueden ser utilizados para la producción de vapor y electricidad.
Otra clasificación es la que se basa en el motor empleado para generar la energía electrica. Tenemos:
Cogeneración con turbina de vapor.
La energía mecánica es producida por una turbina acoplada a un generador eléctrico, mediante la expansión de vapor de alta presión generado en una caldera convencional. En este sistema la eficiencia global es del orden del 85 al 90% y la eléctrica del 20 al 25%
Las turbinas de vapor se dividen en:
-Turbinas de contrapresion la principal característica es que el vapor cuando sale de la turbina, se envía directamente al proceso sin necesidad de contar con un condensador y equipo periférico, como torres de enfriamiento.
-Turbinas de extracción / condensación, una parte del vapor puede extraerse en uno o varios puntos de la turbina antes de la salida al condensador, obteniendo así vapor en el proceso a varias presiones, mientras que el resto del vapor se expande hasta la salida al condensador.
Estos sistemas son aplicados en instalaciones donde la necesidad de energía térmica respecto a la eléctrica es de 4 a 1 o mayor.
Cogeneración con turbina de gas.
Un compresor alimenta aire a alta presión a una cámara de combustión en la que se inyecta el combustible, que al quemarse generara gases a alta temperatura y presión, que a su vez, alimentan a la turbina donde se expanden generando energía mecánica que se transforma en energía eléctrica a través de un generador acoplado a la flecha de la turbina.
Los gases de escape tienen una temperatura que va de 500ª a 650ªC. estos gases son relativamente limpios y por lo tanto se pueden aplicar directamente a procesos de secado, o pueden ser aprovechados para procesos de combustión posteriores, ya que tienen un contenido de oxigeno de alrededor del 15%. Debido a su alta temperatura, estos gases suelen ser empleados a su vez, para producir vapor, que se utiliza en los procesos industriales e inclusive, para generar más energía eléctrica por medio de una turbina de vapor.
Este tipo de cogeneración resulta muy adecuada para los procesos en los que se requiere una gran cantidad de energía térmica, o en relaciones d calor / electricidad mayores a 2.
Cogeneración con ciclo combinado
Este sistema se caracteriza por que emplea una turbina de gas y una turbina de vapor. Los gases producidos en la combustión de la turbina de gas se emplean para producir vapor a alta presión mediante una caldera de recuperación, para después alimentar la turbina de vapor, sea de contrapresion o extracción-condensación y producir por segunda vez energía eléctrica, utilizando el vapor a la salida de la turbina o de las extracciones para los procesos de que se trate. El ciclo combinado se aplica a procesos donde la razón electricidad/ calor es mayor a 6.
Cogeneración con motor alternativo.
El elemento motriz es un motor de explosión, mientras que el calor recuperable se encuentra en forma de gases calientes y agua caliente, el motor alternativo genera la mayor cantidad de energía eléctrica por unidad de combustible consumido, del 34 al 41%, aunque los gases residuales son a baja temperatura, entre 200 y 250ºC. En los procesos donde se puede adaptar, la eficiencia de cogeneración alcanza valores similares a los de las turbinas de gas (85%). Con los gases residuales se puede producir vapor a baja presión (de 10 a 15 kg/cm²) o agua caliente de 80 a 100ºC.
TEMA: EL CARBÓN
1. Clasificación:
• De origen vegetal
Se obtiene quemando madera. Apilada en montones recubiertos de barro, para evitar el contacto con el aire y conseguir que la combustión sea parcial.
Es el que se obtiene mediante la combustión incompleta de la madera. La carbonización de la madera se realiza en hornos o en las antiguas «carboneras», consistentes en una pila de leña cubierta de tierra y con orificios que se abren o se cierran para controlar el caudal de aire a fin de que la combustión no se detenga. El calor producido por la combustión de una pequeña parte de la madera apilada produce la carbonización del resto.
Este combustible arde con mucha facilidad, contiene pocas impurezas y su potencia calorífica es de 8000 Kcal/kg, por lo que era muy utilizado para tratamientos térmicos de metales y para cocinar, sobre todo el carbón de maderas duras como la encina.
En la actualidad el carbón vegetal se utiliza muy poco debido a la escasez de madera y a su elevado precio.
• Del petróleo
Se produce por la destilación del petróleo, normalmente no se utiliza.
• De origen mineral
Se generalizó su utilización en el siglo XVIII con la revolución industrial, debido a que la naciente industrialización exigía grandes cantidades de combustible.
Se encuentra en el subsuelo a diferentes profundidades formando vetas de diferentes tamaños que proceden de la carbonización natural de grandes masas vegetales sepultadas hace millones de años.
Salvo en las minas a cielo abierto o de superficie, la explotación de la mina de carbón se realiza mediante la excavación de pozos para permitir el acceso directo de los trabajadores a la yeta. Los pozos y galerías se airean con grandes ventiladores y tubos.
El arranque del carbón, que se hacía con pico y pala, se realiza ahora en las pequeñas explotaciones fraccionándolo con máquinas perforadoras movidas por aire comprimido. En las minas más grandes el arranque se realiza con las ruedas dentadas de poderosas máquinas que depositan el carbón en cintas transportadoras o en trenes interiores, los cuales llevan el carbón hasta los montacargas de los pozos para sacarlo a la superficie.
El carbón mineral contiene impurezas, muchas de las cuales se eliminan con un tratamiento de lavado en la zona minera. No ocurre así con el azufre, que crea problemas de contaminación con su combustión. Después del lavado, el carbón se clasifica por tipos y tamaños:
En bloques, tal como sale de la mina, o cribado. Estos últimos son de diferentes tamaños siempre inferiores a 50 mm: galleta, granza, menudo o cisco, etc.
A medida que avanza la explotación se toman medidas para aumentar la seguridad: los túneles o galerías se apuntalan con columnas y vigas de madera o de hierro para evitar derrumbamientos, se hacen instalaciones para la extracción del agua de las inevitables infiltraciones y para la aireación y extracción de los gases explosivos (metano) que desprende el carbón.
Se prevé que, en el futuro, el proceso de extracción del carbón estará completamente automatizado y dirigido desde el exterior, e incluso hay proyectos de explotar el carbón en el interior mismo de la mina para ahorrar así su transporte.
El transporte del carbón desde la zona minera hasta la zona industrial de consumo se hace por ferrocarril y por barco, por ser éstos los medios de transporte masivo más económicos.
Existen cuatro variedades de carbón mineral con diferente grado de carbonización: turba, lignito, hulla y antracita.
Durante los dos últimos siglos, el carbón mineral es el que ha suministrado la energía calorífica necesaria para la actividad industrial. En los primeros momentos de la industrialización se utilizó, fundamentalmente, para alimentar las calderas de las máquinas de vapor instaladas en las industrias y en las locomotoras y barcos. Con posterioridad se viene utilizando en las centrales térmicas de producción de energía eléctrica.
En la actualidad ya no es el principal combustible industrial debido al encarecimiento de su extracción por ser las minas cada vez más profundas y de difícil mecanización; a la masiva producción y al menor coste de los combustibles derivados del petróleo (en algunas centrales térmicas, el carbón se sustituyó por el fuel-oil): y a la obtención de electricidad mediante centrales nucleares. Para atender la creciente demanda de energía eléctrica no se construyen nuevas centrales térmicas.
Sin embargo, su importancia económica va en aumento ante el encarecimiento y previsible escasez del petróleo y también por las modernas técnicas de la industria química, que lo utiliza como materia prima para producir gran variedad de productos: disolventes, detergentes, abonos, plásticos, etc., similares a los producidos por la industria petroquímica.
Por estos factores y por el volumen de sus reservas, superiores a las del petróleo, las previsiones indican que el consumo de gasolina descenderá y el de carbón irá en aumento, lo que índica que en los próximos años podría llegar a recuperar su importancia pasada.
El carbón mineral se comercializa, clasificado por su tamaño, en cualquiera de sus cuatro variedades. Para aprovechar el polvo y los pedazos demasiado pequeños se fabrica el carbón aglomerado en formas prismáticas u ovoidal, que se consiguen por compresión de las partículas.
La combustión del carbón produce problemas de contaminación química en la atmósfera, la lluvia ácida, debida al desprendimiento de gas sulfuroso (SO2) derivado de la combustión del azufre que acompaña al carbón como impureza. Este gas se convierte en ácido sulfúrico en contacto con la humedad atmosférica y produce daños importantes.
Los principales países exportadores de carbón son Estados Unidos, Polonia, Australia, URSS, Alemania, Canadá y Sudáfrica. En España las principales cuencas carboníferas están en las provincias de León, Asturias y Teruel.
Carbón natural, sólido o combustible, de consistencia pétrea o terrosa, constituido por carbono amorfo acompañado de hidrocarburos compuestos orgánicos complejos y materiales inorgánicos. Según el porcinito de carbono se clasifican en cuatro clases.
2. Características.
El carbón es un combustible sólido de origen vegetal. En eras geológicas remotas, y sobre todo en el periodo carbonífero (que comenzó hace 345 millones de años y duró unos 65 millones), grandes extensiones del planeta estaban cubiertas por una vegetación abundate que crecía en pantanos. Muchas de estas plantas eran tipos de helechos, algunos de ellos tan grandes como árboles. Al morir las plantas, quedaban sumergidas por el agua y se descomponían poco a poco. A medida que se producía esa descomposición, la materia vegetal perdía átomos de oxígeno e hidrógeno, con lo que quedaba un depósito con un elevado porcentaje de carbono. Así se formaron las turberas. Con el paso del tiempo, la arena y lodo del agua fueron acumulándose sobre algunas de estas turberas. La presión de las capas superiores, así como los movimientos de la corteza terrestre y, en ocasiones, el calor volcánico, comprimieron y endurecieron los depósitos hasta formar carbón.
Los diferentes tipos de carbón se clasifican según su contenido de carbono fijo. La turba, la primera etapa en la formación de carbón, tiene un bajo contenido de carbono fijo y un alto índice de humedad. El lignito, el carbón de peor calidad, tiene un contenido de carbono mayor. El carbón bituminoso tiene un contenido aún mayor, por lo que su poder calorífico también es superior. La antracita es el carbón con el mayor contenido en carbono y el máximo poder calorífico. La presión y el calor adicionales pueden transformar el carbón en grafito, que es prácticamente carbono puro. Además de carbono, el carbón contiene hidrocarburos volátiles, azufre y nitrógeno, así como diferentes minerales que quedan como cenizas al quemarlo.
Ciertos productos de la combustión del carbón pueden tener efectos perjudiciales sobre el medio ambiente. Al quemar carbón se produce dióxido de carbono entre otros compuestos. Muchos científicos creen que, debido al uso extendido del carbón y otros combustibles fósiles (como el petróleo), la cantidad de dióxido de carbono en la atmósfera terrestre podría aumentar hasta el punto de provocar cambios en el clima de la Tierra. Por otra parte, el azufre y el nitrógeno del carbón forman óxidos durante la combustión que pueden contribuir a la formación de lluvia ácida.
Todos los tipos de carbón tienen alguna utilidad. La turba se utiliza desde hace siglos como combustible para fuegos abiertos, y más recientemente se han fabricado briquetas de turba y lignito para quemarlas en hornos. La siderurgia emplea carbón metalúrgico o coque, un combustible destilado que es casi carbono puro. El proceso de producción de coque proporciona muchos productos químicos secundarios, como el alquitrán de hulla, que se emplean para fabricar otros productos. El carbón también se utilizó desde principios del siglo XIX hasta la II Guerra Mundial para producir combustibles gaseosos, o para fabricar productos petroleros mediante licuefacción. La fabricación de combustibles gaseosos y otros productos a partir del carbón disminuyó al crecer la disponibilidad del gas natural. En la década de 1980, sin embargo, las naciones industrializadas volvieron a interesarse por la gasificación y por nuevas tecnologías limpias de carbón. La licuefacción del carbón cubre todas las necesidades de petróleo de Sudáfrica.
3. Aplicaciones:
• Combustible de uso general
Históricamente el primer uso del carbón fue como combustible doméstico. Aun hoy sigue siendo usado para calefacción, principalmente en los países en vías de desarrollo, mientras que en los países desarrollados ha sido desplazado por otras fuentes más limpias de calor (gas natural, propano, butano, electricidad).
• Coque para la industria
- Carbón de coque. Es un carbón bastante ligero, de aspecto poroso y elevada potencia calorífica, 3 000 Kcal/kg. Se obtiene de la destilación de la hulla, calentándola fuertemente en hornos cerrados para aislarla del aire. La hulla desprende gases de gran utilidad industrial y, al final del proceso, queda en el horno el carbón de coque. Este carbón es indispensable para la fabricación del hierro y del acero. Se utiliza también para calefacción en núcleos urbanos porque su combustión no desprende humo y permite disminuir la contaminación ambiental.
Dos tercios del acero mundial se producen utilizando coque de carbón, consumiendo en ello 12% de la producción mundial de carbón (cifras de 2003).
• Producción de productos químicos
Carboquímica. Actualmente (2006) la carboquímica es practicada principalmente en África del Sur y China. Mediante el proceso de gasificación se obtiene del carbón un gas llamado gas de síntesis, compuesto principalmente de hidrógeno y monóxido de carbono. El gas de síntesis es una materia prima básica que puede transformarse en numerosos productos químicos de interés como, por ejemplo:
Gasolina y gasóleo de automoción a través del proceso Fischer-Tropsch.
• Gas de aplicación doméstica
Generalmente se usa en viviendas de calefacción por gas para calentar el agua de uso humano para calentar el agua del sistema de radiadores, también se utiliza en mecheros (de forma comprimida) y en los sistemas de cocina por gas butano o propano.
4. Central termoeléctrica: definición y esquema de funcionamiento.
Una central termoeléctrica es una instalación industrial empleada para la generación de energía eléctrica a partir de la energía liberada en forma de calor, normalmente mediante la combustión de algún combustible fósil como petróleo, gas natural o carbón. Este calor es empleado por un ciclo termodinámico convencional para mover un alternador y producir energía eléctrica.
El funcionamiento de todas las centrales térmicas, o termoeléctricas, es semejante. El combustible se almacena en parques o depósitos adyacentes, desde donde se suministra a la central, pasando a la caldera, en la que se provoca la combustión. Esta última genera el vapor a partir del agua que circula por una extensa red de tubos que tapizan las paredes de la caldera. El vapor hace girar los álabes de la turbina, cuyo eje rotor gira solidariamente con el de un generador que produce la energía eléctrica; esta energía se transporta mediante líneas de alta tensión a los centros de consumo. Por su parte, el vapor es enfriado en un condensador y convertido otra vez en agua, que vuelve a los tubos de la caldera, comenzando un nuevo ciclo.
El agua en circulación que refrigera el condensador expulsa el calor extraído a la atmósfera a través de las torres de refrigeración, grandes estructuras que identifican estas centrales; parte del calor extraído pasa a un río próximo o al mar. Las torres de refrigeración son enormes cilindros contraídos a media altura (hiperboloides), que emiten de forma constante vapor de agua, no contaminante, a la atmósfera. Para minimizar los efectos contaminantes de la combustión sobre el entorno, la central dispone de una chimenea de gran altura (llegan a los 300 m) y de unos precipitadores que retienen las cenizas y otros volátiles de la combustión. Las cenizas se recuperan para su aprovechamiento en procesos de metalurgia y en el campo de la construcción, donde se mezclan con el cemento.
La descripción anterior se refiere a las centrales clásicas, ya que existe, aunque todavía en fase de investigación, otra generación de térmicas que mejoran el rendimiento en la combustión del carbón y disminuyen el impacto medioambiental: son las Centrales de Combustión de Lecho Fluidificado. En estas centrales se quema carbón sobre un lecho de partículas inertes (por ejemplo, de piedra caliza), a través de las que se hace circular una corriente de aire que mejora la combustión.
La última generación de térmicas son las GICC, Gasificación de Carbón Integrada en Ciclo Combinado, que parten de una tecnología con la que se consiguen gases combustibles a partir de la gasificación del carbón con una inyección de oxígeno. El gas combustible obtenido se depura y pasa a una turbina en cuyo alternador asociado se produce energía eléctrica, como en el ciclo de una térmica convencional. La obtención de gases combustibles a partir del carbón es un proceso conocido desde hace más de cien años, y fue impulsado en Alemania durante la II Guerra Mundial. Las ventajas medioambientales que ofrecen estas centrales se fundamentan en los bajos valores de emisión de óxidos de azufre y otras partículas. Es una tecnología todavía en desarrollo, de forma que en Europa, a finales de la década de los noventa, sólo existían cinco plantas GICC, una de ellas en Puerto llano, España. La potencia media de estas centrales viene a ser de 300 MW, muy inferior todavía a la de una térmica convencional.
España contaba a finales de la década de 1990 con un parque de 160 centrales térmicas clásicas, con 21.029 MW de potencia instalada. La central de Puentes de García Rodríguez, en La Coruña, es la de mayor potencia, con 1.400 MW conseguidos con la combustión de lignitos que se extraen de una mina situada a pie de central.
Una central nuclear también se puede considerar una central térmica, donde el combustible es un material radiactivo, que en su fisión genera la energía necesaria para su funcionamiento; no obstante, en la bibliografía industrial, en sentido estricto, sólo se consideran centrales térmicas las antes citadas.
Central térmica
Esquema de una central térmica clásica. El carbón, el fuel o el gas son los combustibles que alimentan este tipo de centrales eléctricas. La energía eléctrica producida llega a los centros de consumo a través de las líneas de transporte.
5. El carbón y el medio ambiente: repercusiones.
ð Repercusiones sobre el suelo
Explotaciones a cielo abierto, por la restauración que sufre el terreno después de esta explotación gran parte del impacto medioambiental desaparece.
Deterioro de la capa superficial, debido a la lluvia ácida
ð Repercusiones sobre el agua
Térmica. Las centrales térmicas necesitan un circuito de refrigeración para condensar el vapor. Si la central coge el agua de un río o un mar y lo vuelve a verter se produce un aumento de temperatura en el ecosistema. Si este circuito fuese cerrado se podría aprovechar este calor para generar otras energía pudiendo ser utilizada igualmente en el ámbito domestico como la calefacción.
Física y química. Se produce principalmente en la minería y en el sistema de tratamiento de aguas
ð Repercusiones acústicas
Sobre todo las centrales térmicas, para evitar los ruidos, hacen un revestimiento especial insonoro para que no sea tanto el impacto en las poblaciones cercanas.
ð Repercusiones sobre la atmósfera
La combustión del carbón origina también residuos que pasan a la atmósfera como los óxidos de azufre, óxidos de nitrógeno, partícula, hidrocarburos, dióxido de carbono y vapor de agua. Esto productos pueden originar problemas graves a la naturaleza si no son absorbidos por ella problemas como:
Efecto invernadero al producirse un aumento de CO2, las partículas no dejan que el calor salga fuera de la atmósfera y se produce un aumento considerable de temperatura, cambiando el clima en alguna zonas.
Lluvia ácida se produce por la emisión de azufre y óxidos de nitrógeno que se generan por la combustión de combustibles fósiles como el carbón.
ð Repercusiones sobre el suelo
Explotaciones a cielo abierto, por la restauración que sufre el terreno después de esta explotación gran parte del impacto medioambiental desaparece.
Deterioro de la capa superficial, debido a la lluvia ácida
TEMA: EL PETRÓLEO
1. Obtención y transporte.
Obtención
El petróleo puede estar en el mismo lugar donde se formo, o haberse filtrado a otros lugares, donde encuentre rocas impermeables que impidan su paso. Los geólogos deben identificar y localizar mantos de roca sedimentaria con esquistos ricos en materia orgánica, que lleven enterrados el suficiente tiempo para la formación del petróleo.
Se dispone de diversos métodos para su localización, uno de los primeros pasos es la obtención de fotografías o imágenes por satélite, avión o radar de una superficie determinada. Esto permite elaborar mapas geológicos en los que se identifican características de un área determinada, tales como vegetación, topografía, corrientes de agua… y de aquellas zonas que tienen condiciones propicias para la presencia de mantos sedimentarios en el subsuelo. También se utilizan sistemas magnéticos y gravímetros, desde aviones previstos de manómetros y gravímetros, con lo cual se recoge información que permite diferenciar los tipos de roca del subsuelo, que se complementara con la toma de muestras de la superficie y la medición de la densidad de las rocas del subsuelo. Pero es paso mas importante en la exploración es la sísmica, ya que permite conocer con mayor exactitud la presencia de trampas en el subsuelo; este procedimiento consiste en crear temblores artificiales mediante pequeñas explosiones subterráneas, para lo cual se colocan explosivos especiales en excavaciones de poca profundidad.
Con estos estudios se tiene una primera aproximación de la capacidad de generación de hidrocarburos y de la calidad de las rocas almacén que pueda haber en un lugar.
Las actividades para su extracción comienzan con la exploración; conjunto de tareas de campo y oficina cuyo objetivo consiste en descubrir nuevos depósitos de hidrocarburos o nuevas extensiones de los existentes.
La extracción, producción o explotación del petróleo se hace según las características propias de cada yacimiento. En la mayoría de los pozos se dispone de una torre de la que se baja una especie de cañon, formado por una serie de tubos acoplados que se hacen girar desde la base de la torre y se perfora el terreno por medio de una broca formada por dientes de acero endurecido; la tubería de revestimiento se perfora a la altura de las formaciones donde se encuentra el yacimiento. El petróleo fluye por estos orificios hacia el pozo y se extrae mediante una tubería de menor diámetro, conocida como “tubería de producción”. Si el yacimiento tiene energía propia, generada por la presión subterránea y por los compuestos gaseosos que acompañan al petróleo, este saldrá por si solo. En este caso se instala en la cabeza del pozo un conjunto de válvulas para regular el paso del petróleo. Si no existe esa presión, o a medida que se va extrayendo disminuye, se hace necesario emplear otros métodos de extracción, el más común ha sido el del “balancín”, mediante un permanente balanceo, acciona una bomba en el fondo del pozo que succiona el petróleo hacia la superficie.
Cuando la producción llega a su límite económico se usan dos sistemas:
-inyección de agua: en un campo petrolífero explotado en su totalidad, se recurre a bombear agua en uno de cada dos pozos para mantener e incluso aumentar la presión de la bolsa al desplazar el petróleo.
-inyección de vapor: cuando el petróleo es muy viscoso se inyecta vapor, de esta forma se consigue reducir la viscosidad y desplazar el petróleo, consiguiendo que fluya más deprisa.
A pesar de los avances alcanzados, nunca se logra sacar todo el petróleo que se encuentra en un yacimiento, en el mejor de los casos se extrae el 50 o 60%
El petróleo viene acompañado por sedimentos, agua y gas natural, por lo que una vez separados ya se envían a refinerías.
La perforación en el subsuelo marino emplea los mismos recursos, pero se efectúa desde enormes plataformas ancladas al lecho marino o que flotan y se sostienen en un mismo lugar.
Transporte
Los oleoductos y los buques tanque son los medios por excelencia para transportar el crudo.
Cuando el campo petrolero todavía es objeto de evaluación, camiones cisterna transportan a la planta el petróleo y agua. A partir de una determinada cantidad de petróleo extraído, se transporta en tubos, llamados oleoductos. Incluyen válvulas de seguridad, sistemas de control y estaciones intermedias de bombeo.
El oleoducto se diseña según la cantidad de petróleo que se transportará, el diámetro y grueso de la pared del tubo, el número de bombas, las válvulas de seguridad, las estaciones de bombeo, la protección catódica y la ruta. La ruta es un factor importante del diseño y construcción del oleoducto, que exige tomar en cuenta poblaciones próximas, montañas, ríos… por esta razón se realiza previamente un estudio de impacto medioambiental, de tal manera que el medio ambiente se altere lo menos posible.
En la parte inicial del oleoducto, una estación de bombeo impulsa el petróleo y, dependiendo de la topografía por donde este pase, se colocaran estratégicamente otras estaciones para que permitan superar sitios de gran altura.
Los buque-tanques son a su vez enormes barcos dotados de compartimientos y sistemas especialmente diseñados para el transporte de petróleo crudo, gasolina, gas o sus derivados. Son el medio de transporte mas utilizado para el comercio mundial.
2. Aplicaciones.
Los procesos de transformación ponen a disposición del consumidor una diversa gama de productos:
Energéticos:
- Gasolina motor. Para consumo en los vehículos automotores.
- Turbocombustible. Gasolina para aviones jet, también conocida como jet-A.
- Gasoil. De uso común en camiones y autobuses.
- Queroseno. Se utiliza en estufas domesticas y en equipos industriales.
- Gas propano o GLP. Se utiliza como combustible domestico e industrial.
- Fuel-oil. Es un combustible pesado para hornos y calderas industriales.
Productos especiales:
-Bencina industrial. Para disolventes o como combustible domestico.
-Disolventes. Para aceites, pinturas, pegamentos y adhesivos…
-Asfaltos. Producción de asfalto y como material sellante en la construcción.
-Bases lubricantes. Para la producción de los aceites lubricantes.
-Ceras parafinitas. Para la producción de velas y similares, ceras para pisos etc.
-Polietileno. Materia prima para la industria del plástico en general.
Materias primas para la industria petroquímica básica:
-Ácido nafténico. Sirve para preparar sales metálicas.
-Benceno. Sirve para fabricar ciclohexano, para producir caprolactama y ácido adipico con destino al nylon.
-Tolueno. Se usa como disolvente en la fabricación de pinturas, resinas, adhesivos, pegantes y tintas.
-Alquilbenceno. Se usa en la industria de todo tipo de detergente.
El azufre que sale de las refinerías sirve para la vulcanización del caucho, fabricación de algunos tipos de acero y preparación de ácido sulfúrico.
3. Combustibles líquidos: gasolina, gasóleo, queroseno y fuelóleo.
" Gasolina. Es un combustible liquido, de densidad 0,75 y de potencia calorífica 32 000 Kcal/l, muy volátil. A la temperatura ordinaria ya emite vapores que forman mezclas explosivas con el aire, por lo que se prohíbe a los automovilistas repostar con el motor en marcha, mantener las luces encendidas, fumar, etc.
Se comercializan distintos tipos de gasolina: normal, de 91 octanos, y super, de 97 octanos. El llamado índice de octanos indica fundamentalmente su diferente capacidad para resistir las altas presiones y temperaturas, dentro del cilindro del motor, sin que se produzca detonación, es decir, autoencendido con anticipación al encendido por la chispa de la bujía. Por eso la gasolina normal es la adecuada para los motores de media compresión y para los que están algo desgastados por el uso, mientras que la gasolina super se emplea para los de alta compresión y prestaciones.
Para mejorar su capacidad antidetonante y hacerlas menos corrosivas, las gasolinas contienen aditivos como el tetraetilo de plomo que, por ser contaminante de la atmósfera, se está sustituyendo por otros más inocuos. Por esta razón ya se está comercializando otro tipo de gasolina, llamada sin plomo.
" Gasóleo. Es un líquido de aspecto algo aceitoso, de densidad 0,85 y potencia calorífica de 42 000 Kcal/kg.
Su principal aplicación es como combustible de los motores diesel gracias a su propiedad de inflamarse cuando se le somete a elevadas presiones y temperaturas.
En la actualidad este combustible resulta más económico que las gasolinas y por eso se utiliza para motores medianos y grandes de coches, camiones, tractores y buques.
" Queroseno o petróleo industrial. Es un líquido transparente, algo más denso que la gasolina y menos inflamable, que se utiliza como combustible en los motores a reacción y de turbina de gas. Se utiliza también como disolvente y para calefacción doméstica.
" Fuel"oil. Es un líquido espeso y oscuro que se utiliza para los hornos industriales y ara calefacción. Como su temperatura de inflamación es elevada es difícil mantener su combustión, por lo cual es necesario calentarlo previamente, y con frecuencia puede resultar contaminante debido al humo que desprende cuando las condiciones de su combustión no son las adecuadas. Es el combustible líquido más económico.
La industria petroquímica extrae del petróleo una gama muy amplia de productos: combustibles, disolventes, plásticos, abonos y otros productos semielaborados que se utilizan como materia prima para la obtención de otros
4. Combustibles gaseosos: gas ciudad, gas natural, gas butano, propano y
Gases licuados del petróleo (glp).
" Combustibles gaseosos. Gas de alumbrado o «gas ciudad». Es una mezcla de gases que se obtiene por destilación seca de la hulla. Se compone de un 50 % de hidrógeno, un 34 % de metano, un 8 % de monóxido de carbono y pequeñas cantidades de otros compuestos. Actualmente está siendo sustituido por el gas natural.
" Gas natural. Es un combustible gaseoso que se encuentra formando bolsas en el subsuelo, generalmente asociado con el petróleo o el carbón. Está compuesto fundamentalmente por metano, pequeñas cantidades de otros gases combustibles como el etano y otros no combustibles como el nitrógeno y el dióxido de carbono. Los principales productores de gas natural son: Unión Soviética, Estados Unidos, Canadá, Países Bajos, Reino Unido, Rumania, Argelia e Indonesia.
La comercialización y utilización generalizada del gas natural es bastante reciente. En España comenzó en la década de 1970 (en Barcelona), sustituyendo al gas obtenido de la destilación de la hulla que se utilizaba ya desde el siglo pasado.
El gas natural se transporta licuado desde su lugar de obtención hasta los lugares de consumo mediante buques metaneros o a través de largas tuberías o gasoductos. En España, la red de gasoductos que lo distribuye parte de los puertos de llegada de los buques metaneros: Barcelona (que lo recibe de Argelia y Libia) y
Cartagena y Huelva (que lo reciben de Argelia).
España tiene pequeñas explotaciones en el Pirineo aragonés, en la costa de Vizcaya y en la costa junto al Guadalquivir, que cubren algo más de la décima parte del consumo total.
El gas natural se almacena en grandes depósitos llamados gasómetros que lo mantienen a la presión necesaria para impulsarlo a través de una red de tuberías enterradas en el suelo, de estructura ramificada, provista de llaves de paso para aislar cualquier tramo en caso de avería.
Este gas es más pesado que el aire. Por ese motivo cuando se produce una fuga en un recinto cerrado resulta muy peligrosa pues, además del riesgo de explosión, existe el de asfixia, ya que el gas va desplazando al aire que se necesita para la respiración. Para advertir de este peligro, se la añade una sustancia de olor característico que advierte su presencia.
Las normas de seguridad para el uso del gas natural son:
" Los locales donde se consume el gas deben estar dotados de dos aperturas en los muros (una a nivel del suelo y otra junto al techo) para evitar que se acumule el gas en caso de fuga.
" Todas las instalaciones nuevas o las modificaciones de las ya existentes deben ser realizadas por una empresa debidamente autorizada.
" Son obligatorias las revisiones periódicas, cada cuatro años, de todas las instalaciones de gas.
El consumo de gas natural va en aumento, tanto para la industria como para usos domésticos de calefacción y cocina, pues presenta una combustión muy limpia, sin desprendimiento de humo ni de residuos sólidos. Su transporte canalizado es más fácil que el transporte en recipientes metálicos de gases licuados como el butano y el propano.
" Propano y butano. Son dos combustibles gaseosos que se obtienen en las refinerías de petróleo. El butano se comercializa licuado y envasado en recipientes metálicos de diferentes tamaños, desechables los más pequeños y recargables todos los demás.
El propano (C3HB) también se suministra licuado, en botellas o recargando depósitos metálicos situados en el exterior, junto a las industrias o viviendas, con el gas transportado por un camión cisterna.
Como se ha indicado, el propano y el butano son gaseosos a la presión atmosférica pero, a la presión de envasado, se encuentran en estado líquido. Cuando el usuario abre la llave de salida del recipiente, disminuye la presión en el interior, se produce la vaporización de estos combustibles y fluyen por el tubo de salida. Para mantener constante la presión de salida de estos gases se intercala una válvula de regulación de presión que lleva incorporada la llave de paso.
En el interior de los locales donde se utilizan estos gases hay que tomar medidas de seguridad parecidas a las adoptadas para el gas natural.
GASES LICUADOS DEL PETRÓLEO
GLP es la abreviatura de "gases licuados del petróleo", denominación aplicada a diversas mezclas de propano y butano que alcanzan el estado gaseoso a temperatura y presión atmosférica, y que tienen la propiedad de pasar a estado liquido a presiones relativamente bajas, propiedad que se aprovecha para su almacenamiento y transporte en recipientes a presión.
La historia de los G.L.P.
Tiene su origen en los Estados Unidos entre los años 1900 y 1912 donde se comprobó que la gasolina natural no refinada tenía una gran tendencia a evaporarse debido a la presencia de estos hidrocarburos ligeros.
A final de los años 30 eran ya varias empresas las que habían entrado en este mercado, y como innovaciones técnicas de esta época tenemos los primeros vagones para transporte de G.L.P. por ferrocarril, y el establecimiento de plantas de llenado de botellas por todo Estados Unidos. En Europa, la primera botella se vendía en Francia en 1934.
Los GLP pueden encontrarse formando parte del crudo y del gas natural; sin embargo existen diversos procesos de refinería que los pueden producir:
"Reformado catalítico": Se alimenta de naftas ligeras para producir aromáticos y gasolinas. El rendimiento en G.L.P. está entre un 5 - 10%.
"Cracking catalítico": Se alimenta de gas-oil o nafta produciendo etileno y propileno para petroquímica. El rendimiento en G.L.P. está entre un 5 - 12%.
"Steam Cracking": Se alimenta con gas-oil o nafta produciendo etileno y propileno. El rendimiento en G.L.P. está entre un 23 - 30%.
"Polimerización y alquilación": Se alimentan de butenos para producir gasolinas. El rendimiento en G.L.P. está entre un 10 - 15%.
"Cracking térmico": Se alimenta de gas-oil y fuel-oil para producir gasolina. El rendimiento en G.L.P. está entre un 10 - 20%.
"Coking y visbreaking": Se alimenta de gas-oil pesado y residuo para producir coque. El rendimiento en G.L.P. está entre un 5 - 10%.
En el caso de encontrarse asociados al gas natural, los G.L.P, al tratarse de componentes con menor presión de vapor y puntos de de ebullición mas altos, tienen el riesgo de que permanezcan en fase líquida en las redes de distribución. Por lo tanto, antes de trasportar el gas natural, se procesa en mediante un proceso de destilación fraccionada (plantas despentanizadoras), donde separan el metano del resto de hidrocarburos que llevan asociados, y que fundamentalmente van desde los etanos a los pentanos.
El propano (químicamente) es un compuesto orgánico, cuya molécula, saturada, está compuesta por tres átomos de carbono y 8 de hidrógeno (fórmula C3H8).
El butano es parecido al propano, salvo que su molécula, también saturada, está compuesta por cuatro átomos de carbono y 10 de hidrógeno (fórmula C4H10). Ambos gases tienen un gran poder calorífico: el propano proporciona 22000 Kcal/m³ y el butano 28300 Kcal/m³, lo que facilita el transporte y los hace muy prácticos.
Comercialmente hablando, cuando nos referimos a propano hablamos de una mezcla del 80% de hidrocarburos C3 y un máximo del 20% de hidrocarburos C4. Por su parte, lo que se vende bajo la denominación butano es un líquido que consta de un mínimo del 80% de hidrocarburos C4 y un máximo del 20% de hidrocarburos C3. Las proporciones anteriores pueden variar en función de la aplicación que se de al gas.
A presión atmosférica y temperatura ambiente (1 atmósfera y 20°C), el Gas Licuado de Petróleo se encuentra en estado gaseoso. Para obtener líquido a presión atmosférica, la temperatura del butano debe ser inferior a -0,5°C y la del propano a -42,2°C. En cambio, para obtener líquido a temperatura ambiente, se debe someter al GLP a presión. Para el butano, la presión debe ser de más de 2 atmósferas. Para el propano, la presión debe ser de más de 8 atmósferas.
Un litro de líquido se transforma en 272,6 litros de gas para el propano y 237,8 litros de gas para el butano. En su estado puro, tanto el butano como el propano son inodoros; sin embargo, para hacerlos más fácilmente detectable en el caso de fugas, se les añade un compuesto odorizador (sulfuro de mercaptano) que los hace perceptibles antes de que la mezcla GLP-aire pueda ser explosiva.
Tanto el propano como el butano no son tóxicos, aunque al ser mas pesados que el aire tienden a desplazarlo y pueden provocar la muerte por asfixia al impedir que el aire llegue a los pulmones y oxigene la sangre.
5. Repercusiones del petróleo sobre el medio ambiente.
La combustión de sus derivados produce productos residuales: partículas, CO2, SOx (óxidos de azufre), NOx (óxidos nitrosos), etc. Los derrames de petróleo suponen una fuerte amenaza al medio ambiente marino.
El petróleo es uno de los combustibles mas peligrosos del planeta, no por su naturaleza, si no por el uso que se le da. Su contaminación se produce de varias formas:
- en la extracción: se vierte parte del petróleo directamente al espacio que rodea la prospección. Esto es muy dañino cuando se trata de extracciones en mar abierto.
- el transporte es especialmente perjudicial y contaminante por la diversidad de situaciones y circunstancias que suelen concurrir, por los inseguros medios e infraestructuras que intervienen y por las grandes cantidades de crudo que se manejan. Recientemente se ha descubierto una bacteria capaz de asimilar los elementos fósiles presentes en ambientes líquidos, lo que representa una mejora de las posibilidades para la eficaz recuperación de los ecosistemas afectados por los vertidos de crudo.
- en el refinado; se contamina por la evacuación de los desechos.
- la combustión de derivados del petróleo, tanto en el transporte, como en las calderas de calefacción, o en las centrales térmicas, tiene como efecto inmediato la producción de elementos químicos, como el dióxido de azufre, dióxido de carbono, dióxido de nitrógeno y compuestos orgánicos volátiles, que son los causantes directos de problemas ambientales graves como: el efecto invernadero, la lluvia ácida, la contaminación acústica….
- además, debido a la diversificación y difusión de su uso, se constituye en causa determinante indirecta para la producción de cantidades ingentes de desechos industriales y urbanos.
TEMA: LA ENERGÍA NUCLEAR
1. Fisión y fusión.
Fisión nuclear
Es la energía asociada al uso del uranio.
Es el utilizado actualmente en las centrales nucleares. Cuando un átomo pesado (como por ejemplo el Uranio o el Plutonio) se divide o rompe en dos átomos más ligeros, la suma de las masas de estos últimos átomos obtenidos, más la de los neutrones desprendidos es menor que la masa del átomo original, luego se verifica la fórmula de Albert Einstein E=MC2, con lo que se desprende Energía. Para romper un átomo, se emplea un neutrón (ya que es neutro eléctricamente, y no es desviado de su trayectoria), que se lanza contra el átomo a romper, por ejemplo, Uranio. Al chocar el neutrón, el átomo de Uranio-235 se convierte en Uranio-236 durante un brevísimo espacio de tiempo, pues tiene un neutrón más que es el que ha chocado con él, siendo este último átomo sumamente inestable, dividiéndose en dos átomos diferentes y más ligeros que el Uranio-236 (por ejemplo Kriptón y Bario; o Xenón y Estroncio), desprendiendo 2 ó 3 neutrones (los neutrones desprendidos, dependen de los átomos obtenidos, nosotros tomamos como ejemplo 3 neutrones, pero puede que solo se desprendan 2. En caso de obtener Bario y Kriptón, se desprenden 3 neutrones; mientras que si se obtiene Xenón y estroncio, solo se liberan 2 neutrones), y liberando energía. Estos 3 neutrones, vuelven a chocar con otros 3 átomos de Uranio-235, liberando en total 9 neutrones, energía y otros dos átomos más ligeros, y así sucesivamente, generando de esta forma una reacción en cadena.
Fusión nuclear
La fusión nuclear, está actualmente en líneas de investigación, debido a que todavía hoy no es un proceso viable, ya que se invierte más energía en el proceso para que se produzca la fusión, que la energía obtenida mediante este método.
La fusión, es un proceso natural en estrellas, produciéndose reacciones nucleares por fusión debido a la elevadísima temperatura de estas estrellas, que están compuestas principalmente por Hidrógeno y Helio. El hidrógeno, en condiciones normales de temperatura, se repele entre sí cuando intentas unirlo (fusionarlo) a otro átomo de hidrógeno, debido a su repulsión electrostática. Para vencer esta repulsión electrostática, el átomo de hidrógeno debe chocar violentamente contra otro átomo de hidrógeno, fusionándose, y dando lugar a Helio, que no es fusionable. La diferencia de masa entre el átomo obtenido y el original es mayor que en la fisión, liberándose así una gran cantidad de energía (muchísimo mayores que en la fisión). Estos choques violentos, se consiguen con una elevada temperatura, que excita los átomos de hidrógeno, y se mueven muy rápidamente, chocando unos contra otros.
La primera reacción de fusión realizada por el ser humano, tuvo origen militar, con una bomba termonuclear (o también llamada bomba-H o de Hidrógeno), que para obtener la temperatura adecuada (casi la del Sol, unos 20 millones de grados centígrados), se utilizó una bomba atómica. Esta bomba termonuclear libera grandes cantidades de energía. Las bombas termonucleares actuales, alcanzan los 60 megatones (equivalente a 60 millones de toneladas de explosivo TNT), lo cual puede arrasar todo lo que haya en un radio de 40 ó 50 Kilómetros a la redonda, eso si incluir la radiación electromagnética y la onda expansiva, así como la lluvia ácida.
2. Aplicaciones: central nuclear
• Componentes: reactor, moderador, barras de control
Un reactor nuclear es una instalación capaz de iniciar, mantener y controlar las reacciones de fisión en cadena, con los medios adecuados para extraer el calor generado.
Un reactor nuclear consta de varios elementos, que tienen cada uno un papel importante en la generación del calor. Estos elementos son:
El moderador, que hace disminuir la velocidad de los neutrones rápidos, llevándolos a neutrones lentos o térmicos. Este elemento no existe en los reactores denominados rápidos. Se emplean como materiales moderadores el agua, el grafito y el agua pesada.
Los elementos de control, que actúan como absorbentes de neutrones, permiten controlar en todo momento la población de neutrones, y por tanto, la reactividad del reactor, haciendo que sea crítico durante su funcionamiento, y subcrítico durante las paradas. Los elementos de control tienen formas de barras, aunque también pueden encontrarse diluido en el refrigerante.
• Tipos de reactores:
- de agua a presión
Reactor de agua a presión (PWR), que emplea agua ligera como moderador y refrigerante; óxido de uranio enriquecido como combustible. El refrigerante circula a una presión tal que el agua no alcanza la ebullición, y extrae el calor del reactor, que después lleva a un intercambiador de calor, donde se genera el vapor que alimenta a la turbina.
- de agua en ebullición
Reactor de agua en ebullición (BWR), que emplea elementos similares al anterior, pero ahora el refrigerante, al trabajar a menor presión, alcanza la temperatura de ebullición al pasar por el núcleo del reactor, y parte del líquido se transforma en vapor, el cual una vez separado de aquél y reducido su contenido de humedad, se conduce hacia la turbina sin necesidad de emplear el generador de vapor.
- refrigerado por gas
Los reactores de alta temperatura refrigerados por gas (HTGR) se vienen desarrollando desde hace mucho tiempo, y aunque ya se han construido varias centrales prototipo o de demostración, no se ha logrado tener pleno éxito en su explotación. El HTGR es básicamente un reactor moderado por grafito con un gas (helio) como refrigerante. El gas He inerte y el diseño especial del combustible hacen posible su funcionamiento a temperaturas considerablemente superiores a las de los reactores refrigerados por agua, lo que permite, a su vez, producir a una temperatura (y presión) mucho más alta el vapor destinado a los generadores convencionales accionados por turbina de vapor, lográndose así una mejora considerable de la térmica de la central, o producir calor industrial en régimen de alta temperatura para aplicaciones especiales.
En los últimos años, los trabajos de desarrollo se han centrado en unidades modulares pequeñas, visto que los experimentos y análisis han demostrado que dichas unidades pueden lograr un grado excepcional de autoprotección.
A diferencia del combustible LWR y LMFBR, el combustible HTGR no está contenido en agujas de combustible revestidas de metal, sino en partículas de combustible. Estas partículas miden entre 0,2 y 0,6 mm y consisten en una mezcla de óxido o carburo de uranio o torio o uranio/torio. A fin de retener los productos de fisión, cada partícula está revestida con varias capas de material cerámico resistente a altas temperaturas. Las partículas se dispersan de manera homogénea en una matriz de grafito que se comprime ulteriormente en elementos esféricos, bolas, o en forma de barras, que se introducen en los canales de combustible de un bloque de grafito de agujeros múltiples. Las partículas permanecen intactas y retienen prácticamente todos los productos de fisión hasta una temperatura de unos 1600 C. Estas partículas no se funden a una temperatura umbral dada y sólo fallan gradualmente en condiciones de accidente; por lo tanto, no se puede producir una liberación súbita de los productos de fisión.
Los futuros trabajos de desarrollo de los HTGR se centrarán en los estudios para mejorar el comportamiento y prolongar la vida útil de las centrales. Con respecto a lo primero, actualmente se realizan considerables esfuerzos en relación con el denominado ciclo de turbina de gas, en el que el gas en régimen de alta temperatura pasa directamente a una turbina de gas, lo que permite obtener una eficiencia térmica muy elevada y prever costos energéticos reducidos, así como en lo que atañe a la producción de calor industrial en régimen de muy alta temperatura.
- de agua pesada
Reactor de agua pesada (HWR), que emplea agua pesada como moderador. Existen versiones en las que el refrigerante es agua pesada a presión, o agua pesada en ebullición. Puede emplear uranio natural o ligeramente enriquecido como combustible.
- rápidos
En este tipo de reactores no existe el elemento moderador para los neutrones y por tanto el flujo de neutrones cae en la zona de los neutrones rápidos. En estos reactores el combustible de la zona central, formado por un óxido de uranio o de uranio y plutonio, se rodea de una zona de óxido de uranio muy empobrecido, con un contenido de U-235 menor o igual al del uranio natural.
Con esta disposición, y si se usa un refrigerante que no produzca la moderación de neutrones (normalmente se emplea sodio), se puede conseguir que en la capa de U-238 que rodea al combustible se genere más plutonio que el que se consume. De esta forma, al mismo tiempo que se está generando energía térmica, se está produciendo combustible en forma de Pu-239, que puede usarse en cualquier tipo de reactor, tanto rápido como térmico.
Los reactores rápidos utilizan neutrones rápidos en apoyo del proceso de fisión, contrariamente a los reactores refrigerados por agua y por gas, los cuales utilizan neutrones térmicos. Los reactores rápidos se conocen también generalmente como reproductores, ya que producen combustible, además de consumirlo. La reproducción de plutonio permite a los reactores rápidos extraer 60 veces más energía del uranio que los reactores térmicos por lo que podrían resultar económicos y ventajosos para los países que no disponen de abundantes recursos de uranio. El mayor despliegue de la energía núcleo eléctrica en los decenios venideros conducirá probablemente a un agotamiento de los recursos de uranio, y puede que en la primera mitad del próximo siglo sea necesario recurrir a los reactores reproductores para producir material fisionable.
En el espectro de neutrones rápidos presentes en tales reacciones, todos los elementos transuránicos se vuelven fisionables, por lo que los reactores rápidos podrían contribuir igualmente al quemado del plutonio procedente de la explotación de otros tipos de reactores y del desmantelamiento de las armas nucleares, así como a la disminución del inventario total de transuránicos dentro del macrosistema , transmutándolos en energía y productos de fisión; la reelaboración y el reciclado del combustible en los reactores rápidos permitiría el quemado de los radisótopos transuránicos de período muy largo, reduciendo considerablemente el tiempo de aislamiento requerido en el caso de los desechos de actividad alta.
Los reactores rápidos están refrigerados normalmente por metal líquido (sodio), por lo que se denominan reactores rápidos refrigerados por metal líquido (LMFR). Se han diseñado, construido y explotado con éxito centrales LMFR, tales como el BN-600 en Rusia, el Superphénix de 1200 MWe en Francia, y el Monju de 280 MWe en el Japón.
Los nuevos trabajos de desarrollo de los reactores rápidos se centran en los requisitos económicos y de seguridad revisados para la próxima generación de centrales nucleares. Prosiguen igualmente los trabajos encaminados a mejorar el grado de quemado y la tecnología de reciclado del combustible, a fin de reducir las cantidades de desechos radiactivos producidos en las centrales.
Actualmente se encuentran en estudio varios tipos distintos de LMFR, así como el empleo más amplio de sistemas pasivos para lograr una mayor seguridad; entre éstos se encuentran el BN-800M de Rusia, el DFBR del Japón, y el PFBR de la India. También existe un diseño de LMFR avanzado de pequeña y mediana potencia, desarrollado por la General Electric de los Estados Unidos de América. Este concepto de ALMR incorpora dispositivos de seguridad pasiva, e incluye instalaciones de gestión y reelaboración de desechos, así como la fabricación de combustible en el emplazamiento de la central, formando un sólo parque nuclear a fin de minimizar los riesgos de proliferación de materiales fisionables. Entre otros reactores rápidos avanzados figura el reactor rápido europeo (EFR), que podría llegar a ser ampliamente utilizado para el reciclado de plutonio y la producción de electricidad.
- de seguridad pasiva
Los nuevos diseños incluyen conceptos de seguridad pasiva, esto es, utilizar los fenómenos físicos (fuerzas de la gravedad, convección, etc.) en vez aparatos activos que puedan fallar. Un ejemplo sencillo es la colocación de tanques de refrigerante en altura para que no se dependa de bombas que pueden tener una falta de suministro eléctrico o el diseño del reactor con una gran inercia térmica que permita más tiempo para la toma de decisiones (acertadas) en el caso de una emergencia.
A su vez, se ha prestado mucha atención a la explotación de la central, buscando la simplificación y la modularización, lo que facilita la gestión, reduce las operaciones y por lo tanto, tanto los riesgos como los costes.
Otros avances son en lo que se refiere al combustible. Las nuevas tecnologías permiten, por un lado, un mayor "quemado" y por lo tanto, aprovechamiento del combustible (lo que implica, sacar más energía de la misma materia prima) y por otro, funcionar con más tipos de combustibles, como la mezcla de óxidos (MOX). El uso de estos combustibles, es polémico, ya que contiene plutonio, usado para fines militares. Eso quiere decir que los ecopacifistas, acusarán a este tipo de centrales de fomentar, más si cabe, la proliferación nuclear y por otra parte, los pro-nucleares dirán que esta tecnología permitirá reciclar el plutonio del desmantelamiento de armas nucleares.
• Funcionamiento
En este esquema se observan las tres partes de una central nuclear tipo:
Circuito Primario, (Edificio del Reactor)
Circuito Secundario, (Generación de electricidad)
Circuito de Refrigeración
Circuito Primario, (Edificio del Reactor)
El circuito primario es estanco y está formado por la vasija del reactor que contiene el núcleo, el presionador y tres lazos. Cada uno incorpora un generador de vapor y una bomba principal.
El agua desminerilzada que circula por su interior toma el calor producido en el reactor por la fisión nuclear y lo transporta hasta el generador de vapor. En él, un segundo flujo de agua independiente del primero, absorbe el calor a través de su contacto exterior con las tuberías por las que circula el agua desminerilazada del circuito primario. Por fin, dicho fluido retorna a la vasija del reactor tras ser impulsado por las bombas principales.
El reactor y su circuito de refrigeración están contenidos dentro de un recinto hermético y estanco, llamado "Contención" consistente en una estructura esférica de acero de 53 m de diámetro, construida mediante planchas de acero soldadas de 40 mm de espesor y que se soporta sobre una estructura de hormigón en forma de cáliz que se apoya sobre la losa de cimentación de 3'5 m de espesor.
La Contención está ubicada en el interior de un segundo edificio, también de hormigón y cuyas paredes exteriores tienen un espesor de 60 cm, llamado edificio del Anillo del Reactor. Este tiene forma cilíndrica y está rematado por una cúpula semiesférica, que sirve de blindaje biológico.
El funcionamiento del circuito primario se complementa con la presencia de una serie de sistemas auxiliares que aseguran el control de volumen, purificación y desgasificación del refrigerante.
La salida al exterior tanto de la radiación como de productos radiactivos es imposible por tres barreras físicas, asegurando cada una de ellas, que la hipotética rotura de una barrera sea soportada por la siguiente.
-
1ª Barrera:
Las vainas que albergan el combustible. -
2ª Barrera:
La propia vasija del reactor integrada en el circuito primario. -
3ª Barrera:
El recinto de contención, estructura esférica de acero recubierto de hormigón.
Circuito Secundario, (Generación de electricidad)
En el circuito secundario, el vapor producido en los generadores se conduce al foco frío o condensador, a través de la turbina que transforma la energía térmica (calor) en energía mecánica. La rotación de los álabes de la turbina acciona directamente el alternador de la central y produce energía eléctrica.
El vapor de agua que sale de la turbina pasa a estado líquido en el condensador, retornando, mediante el concurso de las bombas de condensado, al generador de vapor para reiniciar el ciclo.
Circuito de Refrigeración
Mediante un caudal de agua de 44.600 kg/s aportado por un tercer circuito semiabierto, denominado "Sistema de Circulación", se realiza la refrigeración del condensador.
Este sistema consta de dos torres de refrigeración de tiro natural, un canal de recogida del agua y las correspondientes bombas de impulsión para la refrigeración del condensador y elevación del agua a las torres.
El caudal de agua evaporado por la torre es restituido a partir de la toma de agua en un azud de un río próximo.
3. Riesgos de la energía nuclear.
Actualmente, la industria nuclear de fisión, presenta varios peligros, que por ahora no tienen una rápida solución. Estos peligros, podrían llegar a tener una gran repercusión en el medio ambiente y en los seres vivos si son liberados a la atmósfera, o vertidos sobre el medio ambiente, llegando incluso a producir la muerte, y condenar a las generaciones venideras con mutaciones... Por ello, a las centrales nucleares se les exige unas grandes medidas de seguridad, que puedan evitar estos incidentes, aunque a veces, pueden llegar a ser insuficientes (Chernobil), debido a que se intenta ahorrar dinero en la construcción, y solo se pone una seguridad mínima.
Los peligros más importantes, son entre otros, la radiación y el constante riesgo de una posible explosión nuclear, aunque este último es muy improbable con los actuales sistemas de seguridad de las centrales nucleares. Nos centraremos principalmente en la radiación, por ser el más representativo, debido a que las explosiones son muy improbables.
La radiactividad, es la propiedad en virtud de la cual algunos elementos que se encuentran en la naturaleza, como el Uranio, se transforman, por emisión de partículas alfa (núcleos de Helio), beta (electrones), gamma (fotones), en otros elementos nuevos, que pueden ser o no, a su vez, radiactivos. La radiactividad es por tanto, un fenómeno natural al que el hombre ha estado siempre expuesto, aunque también están las radiaciones artificiales. Así pues, diferenciamos dos casos; radiación natural y radiación artificial:
RADIACIÓN NATURAL:
Siempre ha existido, ya que procede de las materias existentes en todo el universo, y puede ser radiación visible (como por ejemplo la luz), o invisible (por ejemplo los rayos ultravioleta). Esta radiación, procede de las radiaciones cósmicas del espacio exterior (Sol y estrellas), pues ellos son gigantescos reactores nucleares, aunque lejanos; también proceden estas radiaciones de los elementos naturales radiactivos (uranio, torio, radio) que existen de forma natural en el aire, agua, alimentos, o el propio cuerpo humano (potasio, carbono-14). Esta radiación natural, es del orden del 88% de la radiación total recibida por el ser humano, clasificándose de la siguiente manera:
- Radiación cósmica : 15 %
- Radiación de alimentos, bebidas, etc...: 17 %
- Radiación de elementos naturales : 56 %
RADIACIÓN ARTIFICIAL:
Provienen de fuentes creadas por el hombre. Los televisores o los aparatos utilizados para hacer radiografías médicas son las fuentes más comunes de las que recibimos radiación artificial. La generada en las centrales nucleares, pertenece a este grupo. El incremento de radiación que recibe una persona en un año como consecuencia del funcionamiento normal de una central nuclear, es de 1 milirem al año (1 REM = radiación de rayos gamma existentes el aire por centímetro cúbico de aire), cantidad que es 100 veces más pequeño que la radiación natural que recibimos en España. La radiación artificial total recibida por el ser humano es del orden del 12% de todas las radiaciones recibidas. Se clasifica de la siguiente manera:
- Televisores y aparatos domésticos: 0.2 %
- Centrales nucleares : 0.1 %
- Radiografías médicas : 11.7 %
Como es bien sabido, la radiación de los elementos trae serias consecuencias en los seres vivos, si sobrepasan los límites anuales re radiación normal. La consecuencia más importante es la mutación en los seres vivos, ya que afecta a las generaciones tanto presentes, como futuras, y sus efectos irían desde la falta de miembros corporales y malformaciones en fetos, esterilidad,..., hasta la muerte. Por tanto, es importante que los residuos de las centrales nucleares, que son radiactivos, cumplan unas medidas de seguridad, para que no surjan posibles accidentes de fugas de radiación.
Debido a este importante factor de riesgo, las centrales nucleares, deben tener una serie de protecciones para prevenir un posible desastre, que tuviera fugas radiactivas al exterior. La seguridad y protección radiológica que ofrecen las centrales nucleares, son:
| - Varilla de combustible: | Tubos con aleación de Circonio en cuyo interior se encuentra el Uranio. |
| - Vasija del reactor : | Recipiente cilíndrico de acero al carbono, recubierto interiormente de acero inoxidable, de 12.5 centímetros de espesor, con 18.5 metros de altura y 4.77 metros de diámetro. En su interior, se encuentra el núcleo del reactor, donde se obtiene el vapor que mueve la turbina. |
| - Edificio del reactor : | Es una estructura de hormigón armado de 1 metro de espesor y 55 metros de altura (12 de ellos, bajo tierra). Está diseñado para soportar las condiciones del mayor accidente posible. |
En caso de emergencia, se activarían los siguientes Sistemas de emergencia. Se activan al romperse la tubería de refrigeración, y es un sistema autónomo automático, y se compone de:
| - Inyección del Refrigerante a alta presión : | Inyecta refrigerante al interior de la vasija, justo encima del combustible. |
| - Rociado del núcleo |
|
| - Inyección de refrigerante a baja presión : | Inyectan refrigerante a la vasija, inundando el núcleo. |
| - Sistema automático de alivio de presión : | Impide la presurización de la vasija por encima de los valores operacionales. |
| - Condensador de aislamiento : | Enfría el vapor existente en la vasija. |
| - Inserción de las barras de control : | Al insertarlas, se para totalmente el reactor. |
En el siguiente esquema, se muestran las barreras de contención de una central nuclear. Se puede observar de igual manera los sistemas de seguridad con los que cuentan las centrales nucleares.
Además de estos sistemas de emergencia, las centrales nucleares, también cuentan con detectores de incendios, fugas de radiación, y extintores adicionales.
Como hemos visto, las centrales nucleares, cuentan con grandes medidas de seguridad, pero la cosa no termina aquí, ya que estas centrales generan unos residuos radiactivos muy perjudiciales para los seres vivos, y el medio ambiente, por lo que deben ser tratados adecuadamente.
Se clasifican de la siguiente forma:
- Alta actividad:
Proceden de los elementos de combustible gastados, que se extraen del reactor, y se almacenan temporalmente en una piscina de agua, situada dentro de la central nuclear, y construida de hormigón, con paredes de acero inoxidable, de tal forma que no se escape la radiación. Una vez que la piscina se llena (que puede tardar décadas), los residuos se sacan de la piscina, y se almacenan bajo tierra, profundamente, en minas excavadas, con formaciones salinas para mantenerlo aislado de la humedad, y metidos en bidones blindados con material anticorrosivo. Este es el lugar definitivo, donde se guardarán durante cientos o incluso miles de años.
- Media actividad:
Son generados por radio nucleidos liberados en el proceso de fisión en cantidades muy pequeñas, muy inferiores a las consideradas peligrosas para la seguridad y protección de las personas.
Los residuos son solidificados dentro de bidones de acero, utilizando cemento, alquitrán o resinas.
- Baja actividad:
Generalmente, son las ropas y herramientas que se utilizan en el mantenimiento de la central nuclear.
Se prensan, y se mezclan con hormigón, de forma que formen un bloque sólido, son introducidos en bidones de acero. Después, estos bidones, al igual que los de media actividad, son trasladados al Centro de almacenamiento de El Cabril, en la provincia de Córdoba, en el caso de España.
Como se puede comprobar, las medidas de seguridad para prevenir posibles fugas radiactivas, son muy altas, evitando así, que se produzca un accidente radiactivo. La radiación liberada, es por tanto muy baja, prácticamente nula.
4. Residuos radiactivos y desmantelamiento de centrales.
La gestión de los residuos radiactivos en España está encomendada a la Empresa Nacional de Residuos Radiactivos, ENRESA, que elabora el Plan General de Residuos Radiactivos y lo presenta para su aprobación al Gobierno.
EL CABRIL. Empresa Nacional de Residuos Radiactivos.
El centro de almacenamiento de residuos de baja y media actividad de El Cabril está situado al noroeste de la provincia de Córdoba, en las estribaciones de Sierra Albarrana, dentro del término municipal de Hornachuelos.
En el diseño y construcción de estas instalaciones se han utilizados las tecnologías de almacenamiento más avanzadas, dándole también la máxima importancia a su integración en el entorno. Las instalaciones tienen capacidad para cubrir las necesidades de almacenamiento de baja y media actividad de España hasta la segunda mitad del siglo XXI.
Desmantelamiento de una central:
Una central nuclear suele estar en funcionamiento de 25 a 40 años, momento en el que van surgiendo graves problemas de corrosión de la vasija del reactor. Cuando terminan su vida útil estas instalaciones no pueden ser desmanteladas o demolidas sin más, ya que muchas partes son altamente radiactivas.
Cuando una central ha sido cerrada hay varias posibilidades.
Una primera es dejarla custodiada por la compañía que la ha explotado durante un largo periodo de hasta 100 años, esperando a que disminuya la radiación y sea más seguro su desmantelamiento.
Otra opción es cubrirla totalmente de hormigón, como se ha hecho con Chernobyl, aunque esta técnica es muy poco segura porque esta "tumba" tendría que permanecer sin fisuras durante cientos de años, cosa que es imposible de garantizar.
Una tercera opción es la más adecuada y ha sido ya utilizada en varias plantas pequeñas. Consiste en desmantelar la planta, llevando los materiales contaminados a almacenes de residuos radiactivos. Para hacer esta operación son fundamentales equipos de protección para los trabajadores y uso de robots especialmente diseñados.
TEMA: LA ENERGÍA HIDRÁULICA
1. Definición.
Se denomina energía hidráulica o energía hídrica a aquella que se obtiene del aprovechamiento de las energías cinética y potencial de la corriente de ríos, saltos de agua o mareas. Es un tipo de energía verde.
Se puede transformar a muy diferentes escalas, existiendo desde hace siglos pequeñas explotaciones en las que la corriente de un río mueve un rotor de palas y genera un movimiento aplicado, por ejemplo, en molinos rurales. Sin embargo, la utilización más significativa la constituyen las centrales hidroeléctricas.
La función de una central hidroeléctrica es utilizar la energía potencial del agua almacenada y convertirla, primero en energía mecánica y luego en eléctrica.
2. Clasificación de las centrales hidroeléctricas:
• Aprovechamiento por derivación de las aguas
Las aguas del río se desvían mediante la construcción de una pequeña presa hacia un canal que las conduce hasta un depósito, la cámara de carga procurando que la pérdida de nivel sea mínima. 
• Aprovechamiento por acumulación de las aguas
En las centrales de aprovechamiento por acumulación se construye una presa a altura determinada, en un tramo del río que presenta un desnivel apreciable. De esta manera, el nivel del agua se sitúa en un punto cercano al extremo superior de la presa. Para aprovechar el volumen de embalse de a cota superior, a medía altura se emplaza la toma de aguas; en la base inferior se sitúa el sistema de turbina-alternador
• Centrales de regulación
Tienen la posibilidad de almacenar volúmenes de agua en el embalse, que representan periodos más o menos prolongados de aportes de caudales medios anuales.
Prestan un gran servicio en situaciones de bajos caudales, ya que el almacenamiento es continuo, regulando de modo conveniente para la producción. Se adaptan bien para cubrir horas punta de consumo.
• Centrales fluyentes
Llamadas también de agua corriente. Se construyen en los lugares en que la energía hidráulica debe ser utilizada en el instante en que se dispone de ella, para accionar las turbinas hidráulicas.
No cuentan prácticamente con reserva de agua, oscilando el caudal suministrado según las estaciones del año. En la temporada de precipitaciones abundantes (de aguas altas), desarrollan su potencia máxima, y dejan pasar el agua excedente. Durante la época seca (aguas bajas), la potencia disminuye en función del caudal, llegando a ser casi nulo en algunos ríos en la época del estío.
Su construcción se realiza mediante presas sobre el cauce de los ríos, para mantener un desnivel constante en la corriente de agua.
• Central de bombeo
Las centrales de bombeo constituyen un tipo específico de instalaciones hidroeléctricas. Están pensadas para el máximo aprovechamiento de la energía del agua.
Una central hidroeléctrica de bombeo consta de dos embalses emplazados a diferente altura. En las horas en que la demanda de electricidad es máxima, el funcionamiento del sistema no difiere del de las centrales hidroeléctricas convencionales. Así, el agua almacenada en el embalse superior provoca con su caída el giro de una turbina que se encuentra asociada a un alternador. Finalizada esta operación, el agua permanece almacenada, gracias a la presencia de una presa en un embalse construido a nivel inferior.
Cuando la demanda de electricidad disminuye, el agua almacenada en el embalse inferior se bombea hacia el superior, haciendo posible que el ciclo se reinicie. Para ello, la central está provista de motobombas, o bien de turbinas reversibles que pueden actuar como bombas, y alternadores que funcionan como motores.
Las centrales termoeléctricas no pueden adaptarse a los cambios de demanda señalados, puesto que están diseñadas para producir de manera estable. Puede darse el caso de que, en un momento de poca demanda, se esté generando un volumen de energía eléctrica excesivo. Dado que la energía no puede almacenarse, en las centrales de bombeo puede aprovecharse la generada en la central termoeléctrica —.funcionando a su mínimo técnico— para elevar el agua desde el embalse inferior al superior.
Una vez que el agua ha sido recuperada, la central de bombeo se utiliza nuevamente como central hidroeléctrica convencional, a lo largo del periodo del día en que la demanda es mayor. En suma, las instalaciones hidroeléctricas de bombeo evitan la pérdida de un importante volumen de energía, optimizando el aprovechamiento de los recursos hidráulicos.
3. Funcionamiento de una central
Un sistema de captación de agua provoca un desnivel que origina una cierta energía potencial acumulada. El paso del agua por la turbina desarrolla en la misma un movimiento giratorio que acciona el alternador y produce la corriente eléctrica.
Componentes principales
La presa
Se trata de un elemento esencial en los aprovechamientos hidráulicos. Existen dos grandes tipos de presas, las de gravedad y las de bóveda. En el primer caso, el propio peso del muro de la presa sirve para contener el agua. En las presas de bóveda, La contención de las aguas se consigue mediante el empuje que ejercen los dos extremos del arco formado por la presa sobre las paredes laterales de la roca.
Aliviaderos
En la pared principal de la presa existen puntos donde parte del agua retenida se ibera sin necesidad de que pase previamente por la sala de máquinas, donde se localiza el sistema de turbina-alternador Los aliviaderos entran en funcionamiento cuando se producen grandes avenidas en el río o para asegurar las necesidades del riego.
La salida del agua por los aliviaderos se regula gracias a la presencia de grandes puertas metálicas. La energía de caída del agua ha de ser disipada para evitar cause daños en su caída a los terrenos emplazados aguas abajo de la presa. La instalación de cuencos de amortiguación permite guiar la corriente.
Tomas de agua
Se sitúan en la pared anterior de la presa, la que da al embalse. Desde las agua parten diversas conducciones que se dirigen hacia las turbinas. Unas compuertas permiten regular el volumen de agua que llega a la sala de máquinas otra parte, la existencia de rejillas metálicas impide el acceso de elementos tales como troncos o ramas, que podrían dañar la maquinaria. Desde la toma de agua pasa a una tubería forzada que atraviesa el cuerpo de la presa y con hacia las máquinas de la central. En el interior de la tubería, el agua transforma la energía potencial en cinética, es decir, adquiere velocidad.
La sala de máquinas: turbina y alternador
La turbina y el alternador son los mecanismos esenciales de la central hidroelélectrica. Cuando el agua llega a las máquinas, actúa sobre los alabes de la turbinas, —girar el rodete y perdiendo energía. El rodete de la turbina permanece unido al rotor del alternador, que, al girar con los polos excitados por una corriente induce una corriente alterna en las bobinas del estator del alternador. Cuando ha cedido su energía, es restituida nuevamente al río, aguas abajo de la instalación. Unido al eje de la turbina y el alternador gira un generador de corriente empleado para excitar los polos del rotor del alternador. De esta manera, en los terminales del estator aparece una corriente alterna de media tensión y alta intensidad. Mediante un transformador esta corriente altera sus propiedades y pasa a ser alta tensión y baja intensidad. Se encuentra ya disponible para ser transportada mediante líneas de alta tensión hacia los centro de distribución y consumo
4. Efectos de la energía hidráulica en el medio ambiente
Ventajas
- Es renovable.
- No se consume. Se toma el agua en un punto y se devuelve a otro a una cota inferior.
- Es autóctona y, por consiguiente, evita importaciones del exterior.
- Es completamente segura para personas, animales o bienes.
- No genera calor ni emisiones contaminantes (lluvia ácida, efecto invernadero...)
- Genera puestos de trabajo en su construcción, mantenimiento y explotación.
- Requiere inversiones muy cuantiosas que se realizan normalmente en comarcas de montaña muy deprimidas económicamente.
- Genera experiencia y tecnología fácilmente exportables a países en vías de desarrollo.
Inconvenientes
- Altera el normal desenvolvimiento en la vida biológica (animal y vegetal) del río.
- Las centrales de embalse tienen el problema de la evaporación de agua: En la zona donde se construye aumenta la humedad relativa del ambiente como consecuencia de la evaporación del agua contenida en el embalse.
- En el caso de las centrales de embalse construidas en regiones tropicales, estudios realizados han demostrado que generan, como consecuencia del estancamiento de las aguas, grandes focos infecciosos de bacterias y enfermedades. En Brasil el brote de dengue fue asociado con las represas construidas a lo largo del río Paraná.
TEMA: LAS ENERGÍA ALTERNATIVAS
1. Energía solar:
• Características
Es la energía que llega a la Tierra proveniente de la estrella más cercana a nuestro planeta: El Sol. Esta energía abarca un amplio espectro de Radiación Electromagnética, donde la luz solar es la parte visible de tal espectro.
La energía solar es generada por la llamada Fusión Nuclear que es la fuente de vida de todas las estrellas del Universo.
El hombre puede transformar la energía solar en energía térmica o eléctrica. En el primer caso la energía solar es aprovechada para elevar la temperatura de un fluido, como por ejemplo el agua, y en el segundo caso la energía luminosa del sol transportada por sus fotones de luz, incide sobre la superficie de un material semiconductor (Ej.: el silicio), produciendo el movimiento de ciertos electrones que componen la estructura atómica del material. Un movimiento de electrones produce una corriente eléctrica que se puede utilizar como fuente de energía de componentes eléctricos o bien electrónicos. Es el caso del principio de funcionamiento de las calculadoras solares
Una energía garantizada para los próximos 6.000 millones de años. La energía proveniente del sol es limpia, renovable y tan abundante que la cantidad que recibe la Tierra en 30 minutos es equivalente a toda la energía consumida por la humanidad en un año. En España se podría producir la cuarta parte de la electricidad consumida en nuestro país, tan sólo instalando tejados fotovoltaicos en los edificios existentes.
El Sol, fuente de vida y origen de las demás formas de energía que el hombre ha utilizado desde los albores de la Historia, puede satisfacer todas nuestras necesidades, si aprendemos cómo aprovechar de forma racional la luz que continuamente derrama sobre el planeta. Ha brillado en el cielo desde hace unos cinco mil millones de años, y se calcula que todavía no ha llegado ni a la mitad de su existencia.
No sería racional no intentar aprovechar esta fuente energética
gratuita, limpia e inagotable, que puede liberarnos definitivamente de la dependencia del petróleo o de otras alternativas poco seguras o, simplemente, contaminantes.
España, por su privilegiada situación y climatología, se ve
particularmente favorecida respecto al resto de los países de Europa.
Esta energía puede aprovecharse directamente, o bien ser convertida en otras formas útiles como, por ejemplo, en electricidad.
• Aplicaciones:
- Conversión en energía térmica
Un sistema de aprovechamiento de la energía solar muy extendido es el térmico. El medio para conseguir este aporte de temperatura se hace por medio de colectores.
El colector es una superficie, que expuesta a la radiación solar, permite absorber su calor y transmitirlo a un fluido. Existen tres técnicas diferentes entre sí en función de la temperatura que puede alcanzar la superficie captadora. De esta manera, los podemos clasificar como:
Baja temperatura, captación directa, la temperatura del fluido es por debajo del punto de ebullición.
Media temperatura, captación de bajo índice de concentración, la temperatura del fluido es más elevada de 100ºC .
Alta temperatura, captación de alto índice de concentración, la temperatura del fluido es más elevada de 300ºC.
- Aprovechamiento pasivo
La simple orientación de la vivienda y su forma constructiva permiten obtener ganancias solares sin necesidad de ningún elemento técnico.
- Conversión en energía eléctrica
El sistema de aprovechamiento de la energía del Sol para producir energía eléctrica se denomina conversión fotovoltaica.
Las células de los paneles solares están fabricadas de unos materiales con unas propiedades específicas, denominados semiconductores, que captan la energía Solar y la transforman en energía eléctrica.
2. Energía eólica:
Esta energía es producida por los vientos generados en la atmósfera terrestre. Se puede transformar en energía eléctrica mediante el uso de turbinas eólicas que basan su funcionamiento en el giro de aspas movidas por los vientos. Bajo el mismo principio se puede utilizar como mecanismo de extracción de aguas subterráneas o de ciertos tipos de molinos para la agricultura.
Al igual que la energía solar se trata de un tipo de energía limpia, la cual sin embargo presenta dificultades, pues no existen en la naturaleza flujos de aire constantes en el tiempo, más bien son dispersos e intermitentes.
Este tipo de energía puede ser de gran utilidad en regiones aisladas, de difícil acceso, con necesidades de energía eléctrica, y cuyos vientos son apreciables en el transcurso del año. Esta descripción se ajusta bien a ciertas zonas del sur de Chile.
• Características
Procede indirectamente del sol, que calienta el aire y ocasiona el viento.
Se renueva de forma continua.
Es inagotable.
Es limpia. No contamina.
Es autóctona y universal. Existe en todo el mundo.
Cada vez es más barata conforme avanza la tecnología.
Permite el desarrollo sin expoliar la naturaleza, respetando el medio ambiente.
Las instalaciones son fácilmente reversibles. No deja huella.
• Clasificación de las máquinas eólicas:
- Aeroturbinas de eje horizontal
Son los más habituales y en ellos se ha centrado el mayor esfuerzo de diseño en los últimos años. Se los denomina también "HAWTs", que corresponde a las siglas de la denominación inglesa "horizontal axis wind turbines". Un prototipo de potencia generada 1'5 mW se presenta en la figura.
- Aeroturbinas de eje vertical
Su característica principal es que el eje de rotación se encuentra en posición perpendicular al suelo. Son también llamados "VAWTs", que corresponde a las siglas de la denominación inglesa "vertical axis wind turbines". Existen tres tipos de estos aerogeneradores:
Darrieus:
Consisten en dos o tres arcos que giran alrededor del eje.
Panemonas:
Cuatro o más semicírculos unidos al eje central. Su rendimiento es bajo.
Sabonius:
Dos o más filas de semicilindros colocados opuestamente.
3. Biomasa:
• Características
La biomasa es la energía solar convertida por la vegetación en materia orgánica; esa energía la podemos recuperar por combustión directa o transformando la materia orgánica en otros combustibles.
Está compuesta por materia viva, esta es descompuesta o bien por medio natural obteniendo unos productos, o bien quemándolos a altas temperaturas para aprovechar su calos
• Métodos de conversión en combustibles:
- Bioquímicos: fermentación alcohólica, digestión anaeróbica
La fermentación alcohólica es una técnica empleada desde muy antiguo con los azúcares, que puede utilizase también con la celulosa y el almidón, a condición de realizar una hidrólisis previa (en medio ácido) de estas dos sustancias. Pero la destilación, que permite obtener alcohol etílico prácticamente anhidro, es una operación muy costosa en energía. En estas condiciones la transformación de la biomasa en etanol y después la utilización de este alcohol en motores de explosión, tienen un balance energético global dudoso. A pesar de esta reserva, ciertos países (Brasil, E.U.A.) tienen importantes proyectos de producción de etanol a partir de biomasa con un objetivo energético (propulsión de vehículos; cuando el alcohol es puro o mezclado con gasolina, el carburante recibe el nombre de gasohol).
La fermentación metánica es la digestión anaerobia de la biomasa por bacteria. Es idónea para la transformación de la biomasa húmeda (mas del 75% de humedad relativa).En los fermentadores, o digestiones, la celulosa es esencialmente la sustancia que se degrada en un gas, que contiene alrededor de 60% de metano y 40% de gas carbónico. El problema principal consiste en la necesidad de calentar el equipo, para mantenerlo en la temperatura óptima de 30-35 grados centígrados. No obstante, el empleo de digestores es un camino prometedor hacia la autonomía energética de las explotaciones agrícolas, por recuperación de las deyecciones y camas del ganado. Además, es una técnica de gran interés para los países en vías de desarrollo. Así, millones de digestores ya son utilizados por familias campesinas chinas.
- Termoquímicos: combustión, pirólisis
Métodos termoquímicos. Estos métodos se basan en la utilización del calor como fuente de transformación de la biomasa. Están bien adaptados al caso de la biomasa seca, y, en particular, a los de la paja y de la madera.
La combustión, oxidación de la biomasa por el oxígeno del aire, libera simplemente agua y gas carbónico, y puede servir para la calefacción doméstica y para la producción de calor industrial.
La pirólisis, combustión incompleta de la biomasa en ausencia de oxigeno, a unos 500 grados centígrados, se utiliza desde hace mucho tiempo para producir carbón vegetal. Aparte de este, la pirólisis lleva a la liberación de un gas pobre, mezcla de monóxido y dióxido de carbono, de hidrógeno y de hidrocarburos ligeros. Este gas, de débil poder calórico, puede servir para accionar motores diesel, o para producir electricidad, o para mover vehículos. Una variante de la pirólisis, llamada pirólisis flash, llevada a 1000 grados centígrados en menos de un segundo, tiene la ventaja de asegurar una gasificación casi total de la biomasa. De todas formas, la gasificación total puede obtenerse mediante una oxidación parcial de los productos no gaseosos de la pirólisis. Las instalaciones en la que se realizan la pirólisis y la gasificación de la biomasa reciben el nombre de gasógenos. El gas pobre producido puede utilizarse directamente como se indica antes, o bien servir la base para la síntesis de un alcohol muy importante, el metanol, que podría sustituir las gasolinas para la alimentación de los motores de explosión (carburol).
4. RSU:
Residuos sólidos urbanos
Los Residuos Sólidos Urbanos (RSU) son los que se originan en la actividad doméstica y comercial de ciudades y pueblos. En los países desarrollados en los que cada vez se usan más envases, papel, y en los que la cultura de "usar y tirar" se ha extendido a todo tipo de bienes de consumo, las cantidades de basura que se generan han ido creciendo hasta llegar a cifras muy altas
• Vertido
El procedimiento más usual, aunque no el mejor, de disponer de las basuras suele ser depositarlas en vertederos. Aunque se usen buenos sistemas de reciclaje o la incineración, al final siempre quedan restos que deben ser llevados a vertederos. Es esencial que los vertederos estén bien construidos y utilizados para minimizar su impacto negativo. Uno de los mayores riesgos es que contaminen las aguas subterráneas y para evitarlo se debe impermeabilizar bien el suelo del vertedero y evitar que las aguas de lluvias y otras salgan del vertedero sin tratamiento, arrastrando contaminantes al exterior. Otro riesgo está en los malos olores y la concentración de gases explosivos producidos al fermentar las basuras. Para evitar esto se colocan dispositivos de recogida de gases que luego se queman para producir energía. También hay que cuidar cubrir adecuadamente el vertedero, especialmente cuando termina su utilización, para disminuir los impactos visuales.
• Compostaje
La materia orgánica fermentada forma el "compost" que se puede usar para abonar suelos, alimentar ganado, construir carreteras, obtener combustibles, etc. Para que se pueda utilizar sin problemas es fundamental que la materia orgánica no llegue contaminada con sustancias tóxicas. Por ejemplo, es muy frecuente que tenga exceso de metales tóxicos que hacen inútil al compost para usos biológicos al ser muy difícil y cara su eliminación.
• Reciclado
Lo ideal sería recuperar y reutilizar la mayor parte de los RSU. Con el papel, telas, cartón se hace nueva pasta de papel, lo que evita talar nuevos árboles. Con el vidrio se puede fabricar nuevas botellas y envases sin necesidad de extraer más materias primas y, sobre todo, con mucho menor gasto de energía. Los plásticos se separan, porque algunos se pueden usar para fabricar nueva materia prima y otros para construir objetos diversos
• Incineración
Quemar las basuras tiene varias ventajas, pero también algún inconveniente. Entre las ventajas está el que se reduce mucho el volumen de vertidos (quedan las cenizas) y el que se obtienen cantidades apreciables de energía. Entre las desventajas el que se producen gases contaminantes, algunos potencialmente peligrosos para la salud humana, como las dioxinas. Existen incineradoras de avanzada tecnología que, si funcionan bien, reducen mucho los aspectos negativos, pero son caras de construcción y manejo y para que sean rentables deben tratar grandes cantidades de basura
5. Energía geotérmica:
Energía contenida también en el interior de la Tierra en forma de gases. Al ser extraída se presenta en forma de gases de alta temperatura (fumarolas), en forma de vapor y agua hirviendo (geyser) y en forma de agua caliente (fuentes termales).
• De alta temperatura
La energía geotérmica de alta temperatura existe en las zonas activas de la corteza. Su temperatura está comprendida entre 150 y 400 ºC, se produce vapor en la superficie y mediante una turbina, genera electricidad. Se requieren varios condiciones para que se de la posibilidad de existencia de un campo geotérmico: un techo compuesto de una cobertura de rocas impermeables; un acuífero, o depósito, de permeabilidad elevada, entre 0,3 y 2 km de profundidad; rocas fracturadas que permitan una circulación convectiva de fluidos, y por lo tanto la transferencia de calor de la fuente a la superficie, y una fuente de calor magmático, entre 3 y 15 km de profundidad, a 500-600 ºC. La explotación de un campo de estas características se hace por medio de perforaciones según técnicas casi idénticas a las de la extracción del petróleo.
• De temperaturas medias
La energía geotérmica de temperaturas medias es aquella en que los fluidos de los acuíferos están a temperaturas menos elevadas, normalmente entre 70 y 150 ºC. Por consiguiente, la conversión vapor-electricidad se realiza a un menor rendimiento, y debe utilizarse como intermediario un fluido volátil. Pequeñas centrales eléctricas pueden explotar estos recursos.
• De baja temperatura
La energía geotérmica de temperaturas bajas es aprovechable en zonas más amplias que las anteriores; por ejemplo, en todas las cuencas sedimentarias. Es debida al gradiente geotérmico. Los fluidos están a temperaturas de 50 a 70 ºC.
• De muy baja temperatura
La energía geotérmica de muy baja temperatura se considera cuando los fluidos se calientan a temperaturas comprendidas entre 20 y 50 ºC. Esta energía se utiliza para necesidades domésticas, urbanas o agrícolas. La frontera entre las diferentes energías geotérmicas es arbitraria; la temperatura por debajo de la cual no es posible ya producir electricidad con un rendimiento aceptable está entre 120 y 180 ºC.
6. Energía maremotriz
Es la energía obtenida del movimiento de las mareas y las olas del mar. El Movimiento de mareas es generado por la interacción gravitatoria entre la Tierra y la Luna. Tal movimiento se utiliza para traspasar energía cinética a generadores de electricidad.
La gran dificultad para la obtención de este tipo de energía es su alto costo y el establecimiento de un lugar apto geográficamente para confinar grandes masas de agua en recintos naturales.
Ejemplos:
Las olas.
Las mareas.
7. Energía de las olas
La energía de las olas, o energía undimotriz, ha sido acogida como la más prometedora fuente de energía renovable para los países marítimos. No causa daño ambiental y es inagotable - las olas van y vienen eternamente. Y debido al amor sentimental que la gente tiene por el mar, es invariablemente popular.
El recurso potencial es vasto. Por lo general se lo estima en unos 2.000 gigavatios (GV), si bien la UNESCO lo ha declarado como de aproximadamente el doble de esa cantidad. Mas lo que hace falta calcular es qué cantidad es posible cosechar y suministrar a un precio económico. La posibilidad de obtener energía de las olas se ha estudiado desde la época de la Revolución Francesa, cuando las primeras patentes fueron registradas en París por un padre e hijo de apellido Girard. Ellos habían observado que “la enorme masa de un barco de la línea, que ninguna otra fuerza es capaz de levantar, responde al más leve movimiento de las olas”.
Poco progreso tuvo lugar en convertir este movimiento en energía útil hasta el último cuarto del siglo pasado, principalmente por falta de conocimiento científico de lo que era una ola, cómo avanzaba y cómo podría ser transformada. Por otra parte, también existía un merecido respeto por la naturaleza formidable de la tarea, y el considerable capital necesario tampoco estaba disponible.
A diferencia de la energía hidroeléctrica, la energía de las olas no puede contar con el flujo de agua en una sola dirección. No es posible colocar una rueda de agua en el mar y hacerla girar y generar electricidad, a pesar de que, para el espectador en la costa, parecería que las olas avanzan hacia la costa en línea recta. Leonardo da Vinci observó que, cuando el viento soplaba sobre un trigal parecía que olas de trigo corrían a través del trigal, mientras que, en efecto, sólo las puntas individuales se movían ligeramente. Lo mismo sucede con las olas en el mar, que también pueden compararse con el movimiento de una cuerda para saltar a la comba. Cuando se mueve uno de sus extremos, una forma de onda se transporta al otro - pero la cuerda misma no avanza.
Movimiento esquivo
Una ola se desplaza hacia adelante en un movimiento esquivo, arriba y abajo. Su altura máxima es la indicación clave de su fuerza. De manera que, cuanto más agitado el mar, más potencialmente fructífero será, pero también más difícil resulta cosechar su energía. Por ende, los ingenieros de energía de las olas deben diseñar una central eléctrica capaz de absorber la fuerza de las olas más feroces sin peligro de naufragar. Dos de ellas, en Escocia y Noruega, ya han caído víctimas del mar.
Yoshio Masuda, del Japón, inventó la Columna de Agua Oscilante - Oscillating Water Column (OWC) -, una chimenea instalada en el lecho del mar que admite las olas a través de una apertura cerca de su base. Al subir y caer las olas en el mar abierto, la altura de la columna de agua que contiene también sube y baja. Cuando el nivel del agua sube, el aire es forzado hacia arriba y fuera a través de una turbina que gira e impulsa el generador. Al volver a caer, el aire es succionado de vuelta de la atmósfera para llenar el vacío resultante, y el turbogenerador es activado nuevamente.
El Profesor Alan Wells, de la Queen's University de Belfast, Irlanda del Norte, ha mejorado considerablemente la eficiencia del invento, diseñando una turbina que gira en la misma dirección, sin tener en cuenta si el aire es empujado hacia fuera o succionado de vuelta a la chimenea.
Noruega lanzó una estación de energía undimotriz en la costa cercana a Bergen en 1985, que combina una OWC instalada enfrentando las olas, con un invento noruego denominado tapchan (de las palabras inglesas “tapered channel” o “canal rematado en punta”). Las olas suben por una pendiente de hormigón a una punta a 3 metros encima del nivel del mar, donde caen a un depósito. El agua fluye de vuelta al océano a través de la turbina que impulsa a un generador.
El Profesor Stephen Salter, de la Universidad de Edimburgo, ha contribuido el invento más intelectual. El así llamado “Pato de Salter” ha popularizado la idea de la energía de las olas con su aspecto atrayente. Los patos son conos que en su interior llevan un sofisticado equipo electrónico, construido alrededor de una espina que cabecea sobre las olas impulsando un generador. Salter no permitirá que el sistema se lance al mar antes de que considere haberlo perfeccionado suficientemente. La energía de las olas no fue diseñada para ahorrar dinero sino para salvar el mundo
Diversas iniciativas de energía undimotriz de pequeña escala - de 100 kilovatios (kV) a 2 megavatios (MV) - están instalándose actualmente en más de una docena de países. Escocia ha operado una OWC experimental de 75 kV en la costa de la isla de Islay durante 11 años, que ahora ha sido reemplazada por un modelo de 500 kV, llamado Limpet, frente a las olas que vienen a romperse en las rocas desde 5.000 kilómetros del Atlántico.
El mismo grupo de investigadores está planeando un dispositivo de alta mar de 2 MV llamado Osprey. Otro modelo escocés, Pelamis, consiste en una serie de cilindros conectados por juntas con bisagras y motores hidráulicos que impulsan los generadores.
Portugal ha estado trabajando durante varios años en una OWC en la isla de Pico en las Azores. Los neerlandeses han inventado el llamado Columpio de Olas Arquímedes (Archimedes Wave Swing), un “flotador” lleno de aire que se balancea en las olas mientras su “planta baja” está fija en el lecho marino. Una empresa norteamericana está trabajando en un sistema de 10 MV basado en boyas instaladas a 3 kilómetros fuera de la costa sur de Australia. India, China, Suecia y Japón se cuentan entre otros países en los cuales la energía de las olas está floreciendo.
Los problemas técnicos se han ido solucionando paulatinamente - sólo las aplicaciones prácticas han sido de pequeña escala. La energía de las olas está clamando por la instalación de centrales energéticas de 2.000 MV en las profundidades del océano.
El gran obstáculo es financiero. La energía de las olas no fue diseñada para ahorrar dinero sino para salvar el mundo. Los primeros investigadores solían decir que la energía era gratuita porque los dioses proveían las olas. En el otro extremo, otros, menos optimistas, usaron altas tasas de descuento, lo cual afectó a la energía de las olas injustamente, por tratarse de una tecnología de alta inversión de capital, en la cual la mayor parte del gasto es durante la construcción. La manera sencilla de cambiar su costeo es cambiando la tasa de descuento.
Un nuevo rival
El “establishment” de la energía no ha sido de gran ayuda. Como es natural, no vio con beneplácito la aparición de un nuevo rival para sus mercados. Gobiernos y empresas pusieron énfasis en el cálculo de costos convencional. Un destacado inventor holandés comentó: “La ingeniería financiera es aún más difícil que la ingeniería técnica. En nuestro equipo, la llamamos ingeniería emocional.” Empero, por primera vez en 30 años, el gran adelanto ahora está a la vista. Dentro de poco, será posible obtener la electricidad de las olas de la red de suministro en muchos países
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