IES Alquibla Departamento de Tecnología 3º ESO. Fuentes de Energía

Transcripción

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2 1. Introducción Fuentes de Energía Para cualquier civilización, la manera de obtener energía ha sido un aspecto crucial en su economía. Al principio, las personas obtenían la energía gracias a la fuerza muscular. Luego emplearon animales para arar, tirar de carros, arrastrar mercancías... En el caso de las personas y los animales, los alimentos constituyen la fuente de energía que les permite desarrollar tareas. Pero el descubrimiento del fuego y su utilización controlada supuso un cambio radical. Comenzaron a utilizarse diferentes materiales, como la madera o la grasa, como combustibles. Luego se han ido incorporando otras sustancias, como el petróleo y sus derivados. En la actualidad, una gran parte de la energía consumida se obtiene a partir de combustibles como la gasolina o el gasóleo. También se utilizaron las corrientes de agua y de aire para mover molinos o para el transporte, aunque la mayor revolución se produjo con la llegada de la electricidad y su distribución a todos los hogares. La electricidad puede obtenerse a partir de fuentes muy diversas, y también puede transformarse en variados tipos de energía (luminosa, sonora, calorífica...). 2. Tipos de energía La energía puede presentarse de diversas formas o tipos: Energía mecánica. Es la que poseen los cuerpos debido a su movimiento (energía cinética), su posición o altura respecto al suelo ( energía potencial) o su estado de compresión (piensa en un muelle comprimido o en un arco tensado). Energía térmica. Es la energía que posee un cuerpo en virtud de la cantidad de calor que puede ceder o absorber. Así, cuando calentamos agua, le estamos transfiriendo energía térmica. Energía química. Es la energía que tiene un cuerpo debido a su estructura interna: molecular, atómica o nuclear. Por ejemplo, cuando quemamos carbón extraemos la energía que enlaza unos átomos con otros. La energía química es el tipo de energía que acumulan las pilas. Un tipo especial de energía química es la energía nuclear, propia de sustancias radioactivas como el uranio o el plutonio. En este caso, a partir de muy poca cantidad de combustible es posible obtener una gran cantidad de energía. Energía luminosa. Es la que se transmite por medio de ondas. Un caso particular es la energía luminosa, como la energía emitida por el Sol y que hace posible la vida sobre la Tierra. Energía sonora. Es la que transporta el sonido. Energía eléctrica. Es la que poseen las cargas eléctricas en movimiento. Debido a su capacidad para transformarse en otras formas de energía es la adecuada en muchas máquinas. 1

3 Principio de conservación de la energía. Transformaciones energéticas La energía no se crea ni se destruye solo se transforma Según este principio la energía puede transformarse de unos tipos en otros, pero nunca destruirse. A continuación se detallan algunas de estas transformaciones y el sistema que las produce: Eléctrica Mecánica : Motor eléctrico Química Mecánica : Motor de combustión Eléctrica Térmica : Estufa eléctrica Química Térmica : Estufa de gas Eléctrica Luminosa : Lámpara Eléctrica Sonora : Altavoz Sonora Eléctrica : Micrófono Luminosa Eléctrica : Panel solar Química Eléctrica : Pila Térmica Eléctrica : Central térmica Mecánica Térmica : Zapata de freno 3. La energía eléctrica La electricidad ha marcado el desarrollo de la sociedad en que vivimos. Una gran parte de la energía que utilizamos a diario en casa,- en el colegio o en las instalaciones públicas de alumbrado, semáforos, etc., es energía eléctrica. Pero esto no sería posible si no se hubiesen desarrollado sistemas capaces de generar, distribuir y consumir este tipo de energía. La energía eléctrica tiene una serie de características: Puede transformarse con mucha facilidad en otros tipos de energía. Esto hace que sea la forma de energía elegida para abastecer las viviendas, junto con el suministro de gas en algunos casos. Puede transportarse a grandes distancias de una manera casi instantánea, mediante tendidos eléctricos. Sin embargo, en este caso es necesario implantar las infraestructuras (torres, cables, etc.), con el consiguiente impacto medioambiental. No puede almacenarse, al contrario que otros tipos de energía, como la energía química almacenada en un combustible. Por ello debe distribuirse para ser consumida en el mismo tiempo en que se produce. Es una energía poco contaminante en el momento de su consumo. Sin embargo, sí que contaminan los procesos llevados acabo durante su producción y distribución. 2

4 4. Producción de energía eléctrica Aunque los fenómenos eléctricos eran conocidos ya en la antigüedad, no se comprendían bien y tampoco se conocían métodos para generar corriente eléctrica. Esto cambió tras los descubrimientos de H. C. Oersted y M. Faraday en el siglo XIX, que relacionaban los fenómenos eléctricos y magnéticos. El problema de la generación de energía eléctrica se solucionó con la aparición de instalaciones capaces de producir energía eléctrica a gran escala: las centrales eléctricas. A continuación analizaremos los más importantes tipos de centrales de producción de energía eléctrica empleados en la actualidad: 4.1 Centrales hidroeléctricas. Producen electricidad a partir de la energía mecánica del agua almacenada en un embalse. El agua del embalse cae y empuja unas turbinas acopladas aun generador, que está conectado aun transformador donde se modifican las características de la corriente eléctrica para distribuirla por los tendidos eléctricos. 4.2 Centrales térmicas de combustibles fósiles. Producen electricidad a partir de la energía química almacenada en un combustible (petróleo, carbón, gas). Su funcionamiento obedece a los pasos siguientes: 1. El calor generado al quemar el combustible (carbón, petróleo) se emplea para calentar agua en una caldera, que se transforma en vapor. 2. Este vapor de agua se dirige hacia unas turbinas y las hace girar, debido a su empuje. 3. Un generador, el aparato capaz de producir electricidad, está acoplado a las turbinas, de manera que a medida que éstas giran, se produce la energía eléctrica. 4. El generador está conectado aun transformador que convierte la corriente eléctrica para que se distribuya por los tendidos eléctricos. Además, como puedes ver en el esquema inferior, existe un sistema de refrigeración que permite convertir el vapor de agua que ha pasado por las turbinas en agua líquida, 3

5 que vuelve a comenzar el ciclo a partir de la energía térmica obtenida de los combustibles. Uno de los problemas asociados a las centrales térmicas de carbón o petróleo es la contaminación provocada por los gases emitidos a la atmósfera durante la combustión del petróleo o el carbón y también la producida por los sistemas de refrigeración en corrientes de agua contiguas, pues se puede alterar drásticamente la temperatura del agua afectando al ecosistema del medio. 4.3 Central nuclear El proceso para la obtención de energía es parecido al caso de las centrales térmicas de carbón o petróleo, pero en las centra- les nucleares el combustible nuclear se encuentra confinado en el reactor. Las reacciones nucleares producen calor que calienta agua, la convierte en vapor que mueve unas turbinas, etc., como en el caso de las centrales que acabamos de estudiar. Estas centrales son muy eficientes: proporcionan mucha energía con poco combustible, pero tienen un grave inconveniente: generan residuos muy contaminantes y, además, existen riesgos de graves accidentes, como el ocurrido en Chernobyl (Ucrania), en el año 1986, cuando se incendió un reactor y escaparon sustancias radiactivas tóxicas que se extendieron por casi toda Europa. 4

6 4.4 Centrales solares Transforman en energía eléctrica la energía luminosa procedente del Sol. Existen dos tipos: central térmica solar y central fotovoltaica Central térmica solar En este caso no se usa ningún combustible como fuente de energía, sino que se aprovecha la energía luminosa proceden te del Sol. Se funcionamiento responde a los siguientes pasos: 1. La luz se refleja en un conjunto de espejos orientados (helióstatos) para concentrar la luz reflejada hacia una caldera. 2. En la caldera se calienta agua hasta convertirse en vapor, que se dirige hacia unas turbinas. 3. De nuevo, un generador conectado a las turbinas convierte la energía mecánica en energía eléctrica. 4. Luego, la energía eléctrica se distribuye por los tendidos eléctricos, como en los otros casos. El mayor problema es la baja eficiencia de estas centrales, que proporcionan menos energía que una central térmica. Además existe un condicionante geográfico acusado, pues sólo son rentables en regiones soleadas durante la mayor parte del año. Pero la energía solar es una fuente de energía renovable, es decir, no se agota. Al contrario que los combustibles como carbón o petróleo, que acabarán agotándose tarde o temprano. 5

7 4.4.2 Central solar fotovoltaica En este tipo de central se aprovecha la luz solar, pero en ella el proceso de obtención de la energía eléctrica es directo a partir de paneles solares fotovoltaicos. Observa el esquema: 4.5 Central eólica En estas centrales, la energía mecánica del viento mueve las aspas de un aerogenerador. En el interior, este movimiento se transmite a un generador de energía eléctrica. Igual que en el caso de las centrales solares, existe un fuerte condicionante geográfico, pues el sistema sólo es rentable en áreas con fuertes vientos. Así, existen parques eólicos en Tarifa (Cádiz) o en Las Muelas (Zaragoza). 6

8 4.6 Centrales geotérmicas La energía geotérmica procede del calor presente en las capas más profundas de la Tierra. Este calor puede llegar a la superficie en forma de vapor de agua, gases y agua caliente. La energía geotérmica puede ser aprovechada de dos formas: directa, por ejemplo, agua caliente y calefacción, riego y uso industrial e instalaciones de ocio y salud, como balnearios, aguas termales, etc. e indirecta, aprovechando el vapor de agua y el calor para producir energía eléctrica. 4.7 Energía oceánica Se llama así a la energía obtenida de los mares y océanos. Las centrales para esta clase de energía son prácticamente experimentales, ya que, en la actualidad, sus costes son muy altos y sus rendimientos muy bajos. Del mar se pretende aprovechar tres tipos de energía: La energía mecánica de las mareas (energía maremotriz). En Francia hay una en funcionamiento desde La energía mecánica del oleaje (energía olamotríz) El gradiente térmico (diferencia de temperaturas) existente entre la superficie y las zonas más profundas (energía hidrotérmica). 7 E. maremotriz

9 4.8 Biomasa Cuando enciendes una hoguera o preparas una barbacoa, estás empleando biomasa (leña o carbón vegetal) como fuente de energía para producir calor mediante su combustión. 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). conectada aun generador, produce electricidad. La central de biomasa quema este tipo de combustible para producir vapor de agua, el cual mueve una turbina que, 5. Transporte y distribución de energía eléctrica Para poder aprovechar la energía eléctrica producida en las centrales eléctricas en hogares, oficinas, etc., se siguen las siguientes etapas con la energía eléctrica producida: 1. Las centrales eléctricas producen una corriente con una tensión de kilovoltios (kv). 2. Al salir de las centrales eléctricas, se eleva la tensión de la corriente hasta kv (alta tensión) para minimizar las pérdidas de energía durante el transporte. 3. Después, en estaciones transformadoras, se varía de nuevo el voltaje de la corriente hasta 220 o 380 V, un valor aprovechable en nuestras viviendas, oficinas, industrias, etc. 8

10 6. Impacto ambiental de la producción de energía eléctrica La construcción y funcionamiento de una centra eléctrica implica obligatoriamente un cambio ecológico en la zona, debido tanto a la construcción de las infraestructuras necesarias ( edificios, comunicaciones..) como a los residuos que su actividad genera. En todo diseño de un proyecto técnico es obligatorio efectuar una evaluación del impacto ambiental, es decir, un estudio de los cambios que se producirían en el medio natural como consecuencia de su realización. Este estudio se valora, junto con otro sobre las repercusiones económicas y sociales del proyecto sobre la zona, y se decide si se va o no a ejecutar el plan. A continuación, te mostramos en el cuadro, a modo de estudio comparativo, las características principales de cada tipo de central, y el impacto que producen en el medio: Central Impacto ambiental Energía consumida Inconvenientes Ventajas Hidráulica Alteración grave del medio natural, debida a las construcciones, desvíos de agua, inundaciones de tierras. Muchas veces, en épocas de sequía, no se respeta el caudal ecológico. Renovable. Riesgo de catástrofe por rotura de presas y desbordamiento. Peligro de desaparición de la flora y fauna. Gran potencia y rendimiento Térmica Nuclear Eólica Solar Oceánica Biomasa Contaminación atmosférica causada por la emisión de gases procedentes de la combustión Contaminación del agua originada por el uso de esta como refrigerante Peligro de contaminación por radiación. Residuos no reciclables. Impacto visual y sonoro No contaminante Repercusión en los ecosistemas como consecuencia de la necesidad de ocupar grandes superficies. No contaminante Alteración del medio debida a las construcciones que requiere. Beneficiosa si se usa correctamente No renovable. No renovable Renovable Renovable Renovable Renovable Enfermedades respiratorias Alto nivel de ruido Efecto invernadero Impacto negativo en el ecosistema Residuos radioactivos Peligro de catástrofe nuclear. Gran potencia y rendimiento Gran potencia y rendimiento. Reduce la Bajos rendimientos dependencia de otros Discontinua y aleatoria combustibles. Riesgo de accidentes en Limpia. Posibilita el caso de fuertes vientos autoconsumo. Bajos rendimientos Reduce la Altos costes. dependencia de otros Discontinua y aleatoria. combustibles. Riesgos de quemadura y Limpia. Posibilidad de ceguera autoconsumo. Altos costes y bajos rendimientos. Problema: explotación excesiva de los recursos naturales Reduce la dependencia de otros combustibles. Limpia. Silenciosa. Redúcela dependencia de otros combustibles. Reutilización de residuos forestales y domésticos. 9

11 ACTIVIDADES 1. Explica las principales características que han hecho de la energía eléctrica uno de las formas de energía más empleadas en la actualidad. Indica también cuales son sus principales inconvenientes y limitaciones. 2. Dibuja el esquema de alguno de los tipos de centrales de producción de energía eléctrica que conozcas, indicando sobre el mismo sus componentes principales. Enumera también las ventajas e inconvenientes que presenta este tipo de centrales. 3. Identifica cuales de los siguientes tipos de centrales utilizan fuentes de energía renovables (R) y cuales no (NR). Hidráulica Nuclear Solar Oceánica R/NR Térmica Eólica Geotérmica Biomasa R/NR 4. Describe el camino que recorre la energía eléctrica desde que es producida hasta que se consume en nuestros hogares. 10