CIDEAD. TECNOLOGÍA INDUSTRIAL 1. 1º BACHILLERATO. TEMA 2: Las energías fósiles. Desarrollo del tema:

Transcripción

1 Desarrollo del tema: Primera parte 1. Introducción. 2. Las centrales térmicas. 3. Las energías fósiles 3.1 El carbón. 3.2 El petróleo. 3.3 El gas natural. 1

2 1. Introducción. Las fuentes de energía no renovables, las constituyen los combustibles fósiles, es decir, el carbón, el petróleo y el Gas Natural y las energías que proceden de las centrales de fisión. Durante el siglo XVIII, con la revolución industrial, el consumo de carbón fue exagerado. En el siglo XIX, se comenzó a sustituir el carbón por el petróleo, consumo que sigue aumentando sin parar. La utilización de las energías fósiles durante tanto tiempo, ha supuesto, por una parte, desarrollar una tecnología altamente desarrollada, teniendo una gran cantidad de aplicaciones. Al ser energías no renovables, son agotables a medio plazo y pueden deteriorar el medio ambiente. Para aprovechar la energía térmica, de la combustión, es necesario calentar un fluido hasta la temperatura de 200 o 300º C a elevada presión, 80 o 150 Kg/cm 2, para que al expansionarse mueva una turbina y la hace girar. El eje de la turbina se acopla al inductor de un generador eléctrico (alternador) para conseguir en el inducido una corriente eléctrica alterna. El rendimiento suele ser del 35 al 45 %. 2. Las centrales térmicas. Las fuentes de energía no renovables de energía primaria, nos permite obtener energía eléctrica a través de una central térmica. En las centrales térmicas, se necesita un combustible para que puedan funcionar. Este combustible es el carbón, fuel, gas natural o nuclear. Las partes de una central térmica son las siguientes: a. El hogar o el horno, donde se quema el combustible. b. La caldera o generador de vapor a alta presión. c. La turbina de vapor que mueve al generador eléctrico. d. El condensador que convierte el vapor de agua en agua líquida. e. Los calentadores, que permite entrar el agua a la caldera a temperatura próxima a la de ebullición. La caldera sirve para convertir el agua líquida en vapor. El calor necesario para conseguir esta operación, se consigue mediante una reacción química de combustión. La reacción que tiene lugar es la siguiente: C + O2 C O2, si la combustión es completa. C C O, si la combustión es incompleta. + ½ O2 El CO es muy tóxico por lo que es necesario controlar la combustión. Como consecuencia a esta reacción, se desprende una gran cantidad de calor que se destina a calentar la caldera. El agua que entra en la caldera no puede ser fría, sino que se debe de calentar en los precalentadores que son unos tubos que atraviesan el hogar; este dispositivo se denominan economizadores. La turbina esta formado por un conjunto de molinos, es decir un eje donde se insertan un conjunto de palas o álabes fijas o móviles, que al inyectar sobre ellos el vapor hace que se muevan. El vapor del último compartimento, sale a 100ºC y sirve para calentar el agua de la 2

3 alimentación. Esquema de una central térmica Las centrales térmicas mas modernas son las llamadas centrales de combustión de lecho fluidificado y las de ciclo combinado de gasificación integrada Las centrales térmicas de carbón de ciclo combinado con gasificación integrada (CCGI), están dotadas de equipos de captura y almacenaje de carbono, en lugar de las centrales de vapor clásicas. En las centrales CCGI, se parte de una reacción de combustión incompleta, para convertir el carbón en singás (gas de síntesis) que se compone fundamentalmente de hidrógeno y monóxido de carbono. La obtención del CO2 a partir del singás es más sencilla.el singás residual, rico en hidrógeno, se quema y se utiliza para mover turbinas de gas y de vapor. 3

4 3. Las energías fósiles Los combustibles fósiles se presentan en forma sólida, como es el caso del carbón, en estado líquido, como es el petróleo, o en estado gaseoso, como es el caso del Gas Natural. Todos ellos se formaron por la descomposición de la materia orgánica ocurrida hace millones de años. En el caso del carbón, éste se formó por la putrefacción de grandes depósitos de bosques de helechos, del periodo carbonífero, en la época Paleozoica, hace 300 millones de años, que fueron sepultados entre dos estratos impermeables y descompuestos por la acción de bacterias 4

5 anaeróbicas. El petróleo y el Gas Natural se produjo por la descomposición del placton en el fondo marino. 3.1 El carbón. El carbón está formado sobre todo por carbono, aunque también existe en su composición el hidrógeno, oxígeno, nitrógeno, arcillas, carbonato de calcio, sílex, óxido de hierro, etc. Estas últimas impurezas constituyen las cenizas cuando se quema. Su densidad es de 1 a 1,8 (g/cm3). Los carbones pueden ser: 1. Carbón natural. El carbón natural procede de la descomposición de grandes masas vegetales en el periodo carbonífero, que fueron sepultadas y sufrieron una descomposición anaeróbica debido a la acción de diferentes bacterias sometidas a altas presiones y temperatura. Existen cuatro tipos de carbones naturales: La Turba. Es el carbono más reciente que se forma incluso en la actualidad, en las turberas. El poder energético es escaso, teniendo un contenido en humedad del 90% por lo que hay que secarle previamente para eliminar parte de la humedad. Se usa como combustible. El Lignito. Se encuentra en yacimientos poco profundos. Se extrae a cielo abierto, por lo que los costes de producción son bajos. Antes de utilizarlo se ha de secar. El poder energético es algo mayor que en la turba, usándose en las centrales térmicas como combustible. La hulla. El poder energético es mayor que en el caso de los anteriores. Es un buen combustible y sirve para la obtención de una serie de productos obtenidos al ser destilada. La antracita. Es el carbón más antiguo y por lo tanto el que tiene el mayor poder energético. Posee un alto contenido en carbono. Es negro, duro y opaco. Es muy buen combustible. 2. Carbonos artificiales. Los carbonos artificiales son: El coque. Se obtiene como producto de la destilación seca de la hulla, en ausencia de aire. Además del coque, que es un carbón poroso que se utiliza como reductor en los altos hornos, se obtiene el alquitrán, utilizado en asfaltos, el sulfato amónico, usado como abonos y fertilizantes y el gas ciudad, usado como combustible. El coque, arde sin llama y posee un alto poder calorífico, con un contenido en carbón del 92 %. Carbón vegetal. Se obtiene por destilación seca de la madera. Su densidad es de 1,5 g/cm3 y flota en el agua al ser poroso. Se usa como absorbente de gases, empleándose en mascarillas antigás y bombas de alto vacío. Los yacimientos pueden ser a cielo abierto, más económicos o subterráneos. En este segundo caso, es necesario abrir pozos y horadar galerías para extraer el carbón; después es transportado en vagonetas, y en trenes, barcos o camiones hasta el lugar de utilización. En EUA, se consigue transportar por tuberías al fluidificarse previamente. El 40 % de la producción mundial procede de China. Con todas las reservas existentes, se cree que exista carbón para 250 años. Su consumo depende de las fluctuaciones del precio del petróleo. 5

6 En España, sus reservas, en la cuenca minera, se cree que puede durar hasta 90 años. El carbón se utiliza para las centrales siderúrgicas, en la industria química y cementeras y como combustible doméstico, siendo desechado actualmente por la contaminación medioambiental que produce. 3.2 El petróleo. El petróleo es actualmente la fuente de energía más importante, aportando el mayor porcentaje en el consumo energético. El petróleo es una fuente de energía no renovable sometido a la especulación, haciendo que en los países no productores, se busquen nuevas fuentes de energías alternativas para disminuir su dependencia. Históricamente fue en el año 1850, cuando el boticario Sammuel Kier, de Pittburg (Pensilvania) lo comercializó por primera vez. El petróleo es un líquido viscoso, de color negro pardo, formado por una mezcla compleja de hidrocarburos. Su composición es muy variable, ya que depende ésta, del yacimiento de donde se extrae. Su densidad está entre los 0,82 a 0,95 g/cm 3, por lo tanto flotará en el agua o se dispersará. No es miscible en ella. Su poder calorífico es de 9000 a Kcal/Kg. El petróleo es de origen natural y procede de la fermentación anaeróbica de plancton marino, animal(zooplancton) o vegetal(fitoplancton). Este proceso ha tenido lugar en ausencia de aire, en sedimentos marinos próximas a las costas. Aunque las rocas madres son sedimentos arcillosos, raramente se encuentra en el yacimiento primario, ya que emigra a través de las rocas porosas (arenisca o caliza) por la acción de las presiones y gradientes de temperaturas. Los movimientos orogénicos de la corteza ha producido plegamientos sinclinales y anticlinales de los estratos, aprisionando sedimentos impermeables (pizarras) a sedimentos permeables, en donde pueden coexistir una bolsa de gas natural, petróleo y agua salada. Plegamiento Anticlinal 6

7 Prospección, explotación y transporte del petróleo. La prospección es la búsqueda de los yacimientos de petróleo. Para ello se basa de identificar y localizar los lugares apropiados y localizarlos, gracias a la geología. Gracias a los geófonos, es posible identificar técnicamente los yacimientos, permitiendo calcular donde se encuentran y cuanta cantidad de petróleo existe. Normalmente el petróleo va acompañado de GN y de agua salada. La explotación y el taladro de la roca para llegar a la bolsa, se realiza mediante el método de percusión o de rotación. El transporte del petróleo puede realizarse mediante superpetroleros, los oleoductos o pipelines y por carretera o ferrocarril. 7

8 El petroleo llega a la refinería de petróleo. Normalmente las refinerías se encuentran en la costa. En España existe una que se encuentra en Ciudad Real. Básicamente una refinería es una instalación petroquímica que permite la separación, mediante una destilación fraccionada, de los distintos hidrocarburos que forman parte del petróleo. Las diferentes sustancias que se obtienen son las siguientes: Gases: metano, etano, propano y butano. Eter de petróleo: pentano, hexano y heptano. Gasolinas : heptano, octano y nonano. Queroseno : Decano, hexadecano. Gas-oil (gasóleo): hidrocarburos de C16 a C24. Fuel-oil (fuel) : hidrocarburos C20 a C40. Otros productos son los lubrificantes, asfaltos, etc. A presión reducida, se consigue una mayor destilación. Si se aumenta la temperatura, da lugar al craking térmico y la ruptura de las moléculas. Otras reacciones secundarias es la coquización y el craqueo catalítico. Las reservas mundiales se estiman en millones de barriles, de los que la mitad se encuentran en el golfo pérsico. 8

9 3.3 El gas natural. El gas natural es una mezcla de gases que se encuentra almacenada en el interior de la tierra, unas veces aisladamente (gas seco) y en otras ocasiones acompañado por el petróleo (gas húmedo). Su composición es la siguiente: metano ( mas del 70 %), etano, propano y butano. Además posee una menor proporción en CO, CO2, N2, He y H2S. El gas incoloro muy inflamable y su densidad es 0,7 la del aire. Es inodoro; para que huela se le añaden diferentes sustancias orgánicas olorosas como es el tetrahidrofurano o tetrahidrotiofeno. Su origen es similar al petróleo. Su extracción es más fácil que el petróleo, transportado por los gaseoductos o por los barcos butaneros. El gas natural se utiliza como combustible en las centrales térmicas; en la materia prima de la industria petroquímica; para obtener gasolinas; en la cogeneración. El 13,5 de la energía primaria utilizada es de gas natural, aumentando su demanda los últimos años. La mitad de las reservas se encuentran en Rusia. En España se está utilizando masivamente como combustible de los hogares españoles. Se importa desde Argelia, Libia, Noruega, Nigeria y Trinidad y Tobago 9