Energía: Fuentes, Tipos y Calidad
Energía es la capacidad de producir trabajo. En la Tierra, procede casi en su totalidad del Sol, directa o indirectamente.
Es importante recordar:
- La energía ni se crea ni se destruye (Primer Principio de la Termodinámica).
- La transformación de una energía en otra aumenta la entropía (Segundo Principio de la Termodinámica).
Como recurso, le son de aplicación las leyes de Herman Daly:
- Recolección sostenible
- Vaciado sostenible
- Emisión sostenible
- Selección sostenible de tecnologías
- Irreversibilidad 0
- Desarrollo equitativo, solidaridad intrageneracional e intergeneracional
Tipos de Energía
Convencionales: Combustibles fósiles, nuclear e hidroeléctrica (TEC: energía suministrada por una tonelada de carbón: 7.106).
Renovables: Solar, eólica.
Alternativas: Las de menor impacto ambiental; biocombustibles, geotérmica.
Calidad de la Energía
Se mide en función de su capacidad de producir trabajo útil por unidad de masa o volumen.
- Muy alta: Electricidad, nuclear, térmica de más de 2500º: industria, motores e iluminación.
- Alta: Combustibles fósiles, térmica de 1000º a 2500º: movimiento de vehículos, industria y producción de electricidad.
- Moderada: Luz solar, vientos fuertes, térmica entre 100º y 1000º, madera: agua caliente, electricidad, industrias sencillas.
- Baja: Vientos moderados, aguas lentas, térmica por debajo de los 100º: calentamiento de casas y locales.
Rentabilidad: Es más rentable la energía cuya extracción y transporte son más económicos.
Sistemas Energéticos
Conjunto de procesos realizados sobre la energía desde su fuente hasta sus usos finales. En cada paso se dan pérdidas, por lo que no conviene que el proceso sea largo.
- Captura: Conseguir la energía de la fuente original (ej: extraer carbón de una mina).
- Transformación: Cambios para hacer útil el material conseguido (ej: separación de otros materiales).
- Transporte: Llevar la energía a los puntos de consumo (ej: centrales térmicas).
- Consumo: Utilizar la energía (ej: carbón para producir electricidad).
Rendimiento y Coste Energético
Rendimiento: Relación entre la energía suministrada al sistema y la que se obtiene (salidas/entradas expresadas en porcentaje).
Cuanto más se acerca al 100%, menos pérdidas ha habido. Algunas pérdidas son inevitables (aumento de la entropía), mientras que otras son evitables si perfeccionamos el proceso.
Coste energético: Precio que se paga por utilizar la energía (incluidos costes ocultos como daños al medio ambiente, posibles desastres y construcciones).
Ejemplo: Costes de una lata de refresco: energía para comprimir el gas, energía para conseguir el agua, energía para la obtención del aluminio y de la pintura, energía para la fabricación y transporte, energía para mantener el producto frío y energía para la eliminación de los residuos.
Energías Convencionales
Son la mayoría de las que utilizamos. Son no renovables y presentan dos problemas: agotamiento y fuerte impacto ambiental.
Carbón
Se formó por un rápido enterramiento de restos vegetales en ausencia de oxígeno, lo que facilitó la acción de bacterias que realizaron la fermentación, apareciendo carbón, metano y CO2.
Tiene un elevado poder calorífico, pero contiene azufre (S), que forma SO2 y causa lluvia ácida. Emite el doble de CO2 que el petróleo.
Tipos de Carbón
- Antracita: El más antiguo, mayor poder calorífico (90-95% de C).
- Hulla
- Lignito
- Turba: El más moderno, menor poder calorífico (40-60% de C).
Explotación del Carbón
- A cielo abierto: Más barato, pero con daños paisajísticos e impacto ambiental.
- En minas subterráneas: Más caro e inseguro (explosiones, daños respiratorios).
En todos los casos se forman grandes escombreras con materiales que no sirven, ocasionando:
- Daños paisajísticos
- Polvo ambiental
- Contaminación de aguas superficiales y subterráneas por lixiviados
Usos del Carbón
Principalmente en centrales térmicas para producir electricidad. Al quemar el carbón se produce calor que evapora agua; el vapor gira las turbinas que mueven los alternadores, transformando la energía mecánica en eléctrica.
Propuestas de Mejora
- Sustituir el combustible por otro con menos azufre.
- Aumentar la eficiencia de las centrales.
- Preprocesado del combustible (lavarlo para disminuir el contenido en azufre).
Petróleo
Se formó por muerte masiva de plancton marino. La acumulación de arenas y cienos origina rocas sedimentarias (roca madre del petróleo). La fermentación de la materia orgánica produce el petróleo, que tiende a subir hasta alcanzar una roca impermeable.
Se acumula en una roca almacén subyacente, con metano encima y agua salada debajo. Se transporta por oleoductos y grandes petroleros, con graves consecuencias en caso de accidentes (flota e impide la entrada de oxígeno, acabando con la vida marina).
Extracción y Destilación Fraccionada
Se extrae en forma de crudo (mezcla de sólidos, líquidos y gases sin aplicación directa).
- Sólidos: Alquitranes
- Líquidos: Gasolinas, fuel
- Gases: Metano y butano
Usos del Petróleo
- Principalmente vehículos, calefacciones e industrias.
- Centrales térmicas
- Fabricación de otros productos (pinturas, plásticos, fertilizantes).
El precio se dispara por problemas políticos, pero se encarecerá con seguridad cuando empiece a escasear.
Gas Natural
Procede de la misma fuente que el petróleo. Es una mezcla de butano, metano, H2, propano y otros gases.
Se obtiene fácilmente y se traslada por gaseoductos o licuado a bajas temperaturas en barcos.
Usos del Gas Natural
- Hogares, industria y centrales térmicas (para sustituir al carbón).
Es mejor combustible que el carbón y el petróleo: no SO2, no NOx, menos CO2, es más limpio. Se acabaría si sustituyera a otros combustibles fósiles.
Energía de Fisión Nuclear
Se consideró la panacea de las fuentes de energía, pero los problemas ocasionados en las centrales (graves accidentes, carestía en su mantenimiento y problemática de los residuos) han generado su paralización en casi todos los países, y hay gran debate sobre su futuro.
Se basa en la fisión del uranio-235 por el impulso de un neutrón, liberando energía y neutrones que impactan en otros núcleos de uranio y así sucesivamente (reacción en cadena, gran cantidad de energía: bomba atómica). Para evitarlo, se introduce entre las barras de combustible un moderador que absorbe los neutrones (normalmente agua).
El combustible se enriquece con plutonio-239 para mejorar la reacción.
- Reactor: Núcleo donde se produce la energía.
- Circuito de refrigeración primario: Cerca del reactor; el agua está confinada.
- Circuito de refrigeración secundario: Enfría al primario; puede ser agua de río (problemas: aumento de la temperatura del agua, aumento de la temperatura de la zona, aumento de la humedad en la zona).
Produce vapor de agua que mueve la turbina y ataca al alternador que produce la electricidad.
Cuando la cantidad de uranio es demasiado baja, se almacenan las barras de combustible en una piscina, después se trasladan a centros de reprocesado, y los restos se convierten en un problema para los próximos 10.000 años.
Actualmente se tiende a utilizar el torio-232:
Ventajas del Torio-232
- La reacción se controla fácilmente.
- Los restos son menos peligrosos que los de plutonio.
Inconvenientes del Torio-232
- Se necesita un acelerador de partículas.
- Se inyectan protones sobre plomo y salen neutrones que se llevan al reactor para hacer la reacción.
Energía Hidroeléctrica
Producida por la energía potencial almacenada en el agua del embalse. Al abrir las compuertas, el agua actúa sobre las turbinas conectadas a un alternador que produce energía eléctrica.
Bajo coste, mínimo mantenimiento, permite regular el caudal y utilizar el agua para otros usos. Hay que construir embalses y presas.
Inconvenientes de la Energía Hidroeléctrica
- Altera la dinámica fluvial, modificando el caudal del río y la composición química.
- Riesgo de eutrofización.
- Altera las especies de la zona, dificultando las migraciones de peces.
- Riesgo de rotura.
- Traslado de poblaciones para construir los embalses.
- Modifica los sedimentos en la corriente abajo de la presa.
En la actualidad no se construyen grandes presas, pero sí se utilizan pequeños embalses que dan energía a poblaciones próximas que no sean grandes.
Energías Alternativas
Son renovables y de bajo impacto ambiental. Todavía no son utilizables a gran escala; necesitan mucha investigación y proyectos de I+D.
Energía Solar
Térmica
Se aprovecha la energía calorífica mediante:
- Arquitectura bioclimática: diseño, orientación, muros, ventanas y acristalamiento.
- Centrales térmicas solares: se concentra la luz en un colector mediante una parábola o espejos; este calor se utiliza para calentar agua y se produce vapor que mueve las turbinas y se convierte en electricidad.
Fotovoltaica
Se transforma directamente la energía solar en electricidad utilizando un semiconductor (silicio) que al absorber fotones proporciona una corriente de electrones.
Inconvenientes de la Energía Solar
- Espacio necesario
- Impacto visual
- Variabilidad en la producción
- Caro
Ventajas de la Energía Solar
- Limpia
- Sin mantenimiento
- Útil para lugares en los que sea difícil establecer una red eléctrica
Bioquímica: Energía de la Biomasa
Desechos forestales, agrícolas, ganaderos, basuras y restos de alimentos. Barata, limpia y poco compleja. Se debe utilizar donde se produce para evitar gastos de energía en el transporte. Es renovable si plantamos los árboles que utilizamos.
La biomasa, por fermentación bacteriana y procesos químicos, se convierte en biocombustibles:
- Etanol: Fermentación y destilación de cereales, remolacha y caña de azúcar.
- Metanol: A partir de maderas y basuras.
- Bioaceites: Colza, girasol, soja.
- Biogás: Descomposición anaerobia de residuos.
Inconvenientes de la Biomasa
- Cambios en los automóviles.
- Emisiones de NOx.
- Difíciles de arrancar en climas fríos.
- Baja autonomía.
Recursos Minerales
Se han explotado siempre a lo largo de la historia, aunque los mecanismos de explotación han evolucionado con el paso del tiempo. Pueden ser metalíferos y no metalíferos.
Metalíferos
Obtención de minerales y energía (caso del uranio). Se extraen de los yacimientos (lugares donde se concentran los minerales). El mineral del que se extrae un metal se llama mena. Las explotaciones de los yacimientos se llaman minas (a cielo abierto o subterráneas). Las escorias son los restos de la extracción del mineral.
Impactos de la Explotación de Minerales Metalíferos
- Sobre la atmósfera: Contaminación, polvo y ruido.
- Sobre el agua: Contaminación de aguas superficiales y subterráneas.
- Sobre el suelo: Irreversible.
- Sobre flora y fauna: Por desaparición del suelo.
- Sobre el paisaje: Pendientes, subsidencias, escombreras.
- Sobre el ambiente sociocultural: Alteraciones de zonas de interés natural, aumento del tráfico.
La explotación depende de su interés económico, de sus reservas (cantidad de mineral cuya explotación se considera rentable) y del coste de la extracción.
Las reservas de un mineral pueden cambiar si se mejoran los procesos de extracción. En un momento dejan de ser rentables, pero si se desarrolla otro proceso más barato o más potente, vuelven a ser rentables, con lo que suben las reservas. Es decir, los recursos (cantidad total del mineral que hay en la corteza terrestre) se convierten en reservas.
En la actualidad, algunos minerales como el cobre (Cu), plomo (Pb) y estaño (Sn) son sustituidos por derivados del petróleo (PVC, polietileno, poliestireno) en envases y tuberías.
Siderurgia
Obtención de hierro en los altos hornos, quemando carbón.
- Acero (Fe y C menos de 1,5%).
- Hierro forjado (Fe y C más de 1,5%).
- Acero inoxidable (aleación de Ni y Cr).
Aluminio
Componente de la bauxita. Ligero, maleable, reciclable y resistente a la corrosión (aviones, refrescos, cables).
Impactos de la Explotación del Aluminio
- Deforestación: Destrucción de hábitats en los que existen minerales de bauxita (Ecuador, Sierra Leona, India, Indonesia).
En países ecuatoriales, la elevada precipitación y temperatura hacen que haya una gran actividad bacteriana, con lo que no hay humus y el horizonte A no existe. En el horizonte B se acumulan las arcillas con minerales de aluminio transformadas por el pH básico en bauxita, formando costras llamadas lateritas que por erosión salen a la superficie.
Diferencias Norte-Sur: en los países del Norte se hace la transformación y se obtienen los beneficios, mientras que son los del Sur los que aportan las materias primas.
Es el proceso que más energía consume, por lo que es necesario hacer mejoras tecnológicas y tratar de sustituir las fuentes de energía, como en Islandia, donde se utiliza hidroeléctrica y geotérmica. Su reciclaje supone un ahorro de energía del 95% con respecto al proceso de obtención de la bauxita.
No Metalíferos
Combustibles fósiles, fertilizantes y materiales de construcción (áridos).
Fertilizantes
Fósforo, nitrógeno, azufre y potasio, extraídos del apatito, fijación industrial, pirita y sales marinas respectivamente.
Materiales de Construcción (Áridos)
- Bloques de piedra: Extraídos de canteras.
- Rocalla: Piedra triturada.
- Arenas y gravas: Extraídas de graveras (fuertes impactos en ríos y otros lugares).
- Cemento: Caliza más arcilla a 1400º en cementeras.
- Hormigón: Cemento más rocalla.
- Yesos: Obtenidos por calcinación de la roca del mismo nombre.
- Arcilla: Se cuecen y forman ladrillos, baldosas y tejas.
- Vidrio: Arena de cuarzo a 1700º y enfriando rápidamente.