Energía y Sociedad. Energías alternativas. Economía del hidrógeno.

Transcripción

1 Energía y Sociedad. Energías alternativas. Economía del hidrógeno. Parte II Energía y sociedad. Consumo de energía. Fuentes de energía. Combustibles fósiles. Energías alternativas. Energías renovables. El hidrógeno como fuente de energía. Calentamiento global (previsiones). El consenso científico: Calentamiento medio de 0,2ºC por década A concentración constante de GEI se produciría un aumento de 0,1% anual La temperatura a finales de siglo aumentaría entre 1,8 y 4ºC Qué hacer para reducir los GEI? Reducir el consumo Cambio del modelo energético actual Utilizar energías limpias Combustibles renovables Captura de CO 2 Ciclo del carbono El ciclo del carbono es la sucesión de transformaciones que sufre el carbono a lo largo del tiempo. El ciclo comprende dos ciclos que se suceden a distintas velocidades. Ciclo biológico Intercambios de carbono (CO 2 ) entre los seres vivos y la atmósfera (fotosíntesis). El carbono queda retenido en las plantas y la respiración que lo devuelve a la atmósfera. Este ciclo es relativamente rápido (renovación cada 20 años). Ciclo biogeoquímico. Regula la transferencia de carbono entre la atmósfera y la litosfera (océanos y suelo). Es de larga duración, al verse implicados los mecanismos geológicos. 1

2 Consumo de combustibles fósiles 2

3 Energía y Sociedad El modelo energético actual se basa, mayoritariamente, en el consumo de combustibles fósiles para el transporte y la generación de energía eléctrica. Hay dos factores que ponen en entredicho la supervivencia de este modelo: el agotamiento de las reservas de combustible y el calentamiento global. Sostenibilidad energética Consumo energético industrial y doméstico Eficiencia en el consumo Materiales y tecnologías eficientes Fuentes de energías alternativas Captura del CO 2 Transportes no contaminantes Fuentes de energía Renovables o agotables Las fuentes de energía se pueden dividir en dos grandes subgrupos: permanentes (renovables) y temporales (agotables). Las fuentes permanentes son las que tienen origen solar, de hecho, se sabe que el Sol permanecerá por más tiempo que la Tierra. El concepto de renovabilidad depende de la escala de tiempo que se utilice y del ritmo de uso de los recursos. Los combustibles fósiles se consideran fuentes no renovables ya que la tasa de utilización es muy superior al ritmo de formación del propio recurso. 3

4 Fuentes de energía no renovables Energía fósil Los combustibles fósiles se pueden utilizar en forma sólida (carbón) o líquida-gaseosa (petróleo y gas natural). Son acumulaciones de seres vivos que vivieron hace millones de años. En el caso del carbón se trata de bosques de zonas pantanosas, y en el caso del petróleo y el gas natural de grandes masas de plancton marino acumuladas en el fondo del mar. Balance energético de distintos procesos de combustión Contenido energético (kj) Entalpía de reacción Por mol de O 2 Por mol de combustible Por gr de combustible Moles de CO 2 por 1 kj Gas: CH 4 + 2O 2 CO H 2 O ,6 1,2 Petróleo:2(-CH 2 -)+3O 2 2CO 2 + 2H 2 O ,6 1,6 Carbón:4(-CH-)+5O 2 4CO 2 + 2H 2 O ,3 2,0 Cambio climático y energías alternativas. UMU 2008 Energía Nuclear El núcleo atómico de algunos elementos pesados como el uranio, puede ser desintegrado (fisión nuclear) y liberar energía radiante y cinética. Las centrales termonucleares aprovechan esta energía para producir electricidad mediante turbinas de vapor de agua. Hay dos formas de aprovechar la energía nuclear para convertirla en calor: la fisión nuclear, en la que un núcleo atómico se subdivide en dos o más grupos de partículas, y la fusión nuclear, en la que al menos dos núcleos atómicos se unen para dar lugar a otro diferente. 4

5 Ventajas e inconvenientes de la energía nuclear Argumentos a favor: Alta concentración de producción No produce gases de efecto invernadero Energía barata No hay que modificar las redes de distribución Argumentos en contra: Seguridad Riesgo de accidentes y terrorismo Proliferación nuclear Medio ambiente y salud Residuos radiactivos Emisiones de radioactividad Concentración económica Recurso no renovable Existencia de alternativas Energías Renovables Contaminantes y No contaminantes Las energías renovables contaminantes se obtienen a partir de la materia orgánica o biomasa, y se pueden utilizar como combustible, convertida en bioetanol o biogás mediante procesos de fermentación orgánica o en biodiésel mediante reacciones de transesterificación. Las energías de fuentes renovables contaminantes tienen el mismo problema que la energía producida por combustibles fósiles: en la combustión emiten dióxido de carbono, gas de efecto invernadero. Sin embargo, se encuadran dentro de las energías renovables porque el dióxido de carbono emitido será utilizado por la siguiente generación de materia orgánica. También se puede obtener energía a partir de los residuos sólidos urbanos. Cambio climático y energías alternativas. UMU

6 Energías Renovables No contaminantes Energía solar La captación de la radiación solar sirve tanto para transformar la energía solar en calor (térmica), como para generar electricidad (fotovoltaica y termosolar). Energía geotérmica Parte del calor interno de la Tierra (5.000ºC) llega a la corteza terrestre. En algunas zonas del planeta, cerca de la superficie, las aguas subterráneas pueden alcanzar temperaturas de ebullición, y, por tanto, servir para accionar turbinas eléctricas o para calentar. Energía hidráulica La energía potencial acumulada en los saltos de agua puede ser transformada en energía eléctrica. Las centrales hidroeléctricas aprovechan energía de los ríos para poner en funcionamiento unas turbinas que arrastran un generador eléctrico. Energía gravitacional La atracción del Sol y la Luna que origina las mareas puede ser aprovechada para generar electricidad. 6

7 Ventajas e inconvenientes de las energías renovables no contaminantes Ventajas generales: No producen gases de efecto invernadero ni otras emisiones, como los combustibles, sean fósiles o renovables. Sólo emiten dióxido de carbono en su construcción y funcionamiento No presentan riesgos adicionales, como el riesgo nuclear. No obstante, algunos sistemas de energía renovable generan problemas ecológicos particulares. Naturaleza difusa Un problema inherente a las energías renovables es su naturaleza difusa, con la excepción de la energía geotérmica Puesto que ciertas fuentes de energía renovable proporcionan una energía de una intensidad relativamente baja son necesarias nuevos tipos de "centrales" para convertirlas en fuentes utilizables. Ventajas e inconvenientes de las energías renovables Irregularidad La producción de energía eléctrica exige fuentes de alimentación fiables o medios de almacenamiento (sistemas hidráulicos de almacenamiento por bomba, baterías, futuras pilas de combustible de hidrógeno, etc.). Debido al elevado coste del almacenamiento de la energía, un pequeño sistema autónomo, hasta ahora, resulta escasamente económico, excepto en situaciones aisladas. Fuentes renovables contaminantes La biomasa almacena activamente el CO 2, formando su masa y liberando oxígeno. Al quemarse vuelve a quemar el carbono con el oxígeno formando de nuevo CO 2. Al cerrar el ciclo el saldo de emisiones es nulo. La biomasa es realmente inagotable? Su uso solamente puede utilizarse en casos limitados. Su eficacia energética es aceptable? Es realmente inagotable? Genera problemas sociales? 7

8 Ventajas e inconvenientes de las energías renovables Diversidad geográfica En la actualidad los centros de producción de energía eléctrica están próximos a los consumidores potenciales (industrias, ciudades, ). La diversidad geográfica requiere inversiones considerables en redes de transformación y distribución; así como cambios importantes en la administración de las redes. Cambio climático y energías alternativas. UMU 2007 Diversidad actual de producción eléctrica 8

9 Biocombustibles Biocombustible es el término con el cual se denomina a cualquier tipo de combustible que derive de la biomasa (organismos recientemente vivos o sus desechos metabólicos). Los biocombustibles más usados y desarrollados son el bioetanol obtenido a partir de la caña de azucar y el biodiesel obtenido a partir de aceites vegetales. El bioetanol se obtiene por fermentación de los compuestos orgánicos naturales que, después de su destilación y secado, da como producto final el alcohol. Actualmente se está proponiendo la separación del almidón que, convertido en azúcar fermentable, puede producir etanol puro. Cambio climático y energías alternativas. UMU 2007 Biocombustibles Consecuencias para el medio ambiente Con su generalización en occidente, muchos países subdesarrollados están destruyendo sus selvas para crear plantaciones para biocombustibles. La consecuencia es justo la contraria de lo que se pretende y su cultivo reemplaza elementos naturales que limpian el aire de gases de efecto invernadero. Los fertilizantes necesarios para los cultivos, el transporte de la biomasa, el proceso del combustible y la distribución del biocombustible hasta el consumidor hacen disminuir su eficacia energética. Sin embargo, aplicando las técnicas agrícolas y las estrategias de procesamiento apropiadas, los biocombustibles pueden ofrecer ahorros en las emisiones de al menos el 50% comparando con combustibles fósiles como el gasóleo o la gasolina. Consecuencias para el sector alimentario La utilización de suelo agrícola para el cultivo biocombustibles ha comenzado a producir un efecto de competencia entre la producción de alimentos y la de biocombustibles, aumentando el precio de productos de primera necesidad. Cambio climático y energías alternativas. UMU

10 Energía solar fotovoltaica Se denomina energía solar fotovoltaica a la obtención de energía eléctrica a través de paneles fotovoltaicos. Los paneles fotovoltaicos están formados por dispositivos semiconductores que al recibir radiación solar se excitan y provocan saltos electrónicos, generando una pequeña diferencia de potencial. El acoplamiento en serie de varios de estos dispositivos permite la obtención de voltajes mayores en configuraciones muy sencillas. En un día soleado, el Sol irradia alrededor de 1 kw/m 2 a la superficie de la Tierra. Los paneles fotovoltaicos actuales tienen una eficiencia promedio del 12%. Esto supondría una producción de, aproximadamente, 120 W/m². Sin embargo, se están produciéndose grandes avances en la tecnología fotovoltaica y ya existen paneles experimentales con rendimientos superiores al 40%. Cambio climático y energías alternativas. UMU 2007 Energía solar fotovoltaica El proceso básico, repetido millones de veces, que permite a una celda solar generar energía eléctrica es el siguiente: Los fotones de luz solar inciden en la superficie de vidrio de la celda que permite pasar la luz a la capa de semiconductor n. Los átomos en la capa de semiconductores tipo n se excitan, "soltando" electrones que genera un exceso de ellos en la misma. La capa de semiconductor tipo p tiene deficiencia de electrones, lo cual atrae a los electrones excitados provenientes de la capa tipo n. En términos eléctricos, se genera una diferencia de potencial entre ambas capas de semiconductor. La única manera de pasar los electrones del semiconductor tipo n al p es a través de un cable produciendo la corriente eléctrica. Cambio climático y energías alternativas. UMU

11 Energía eólica La energía eólica es la que se obtiene por medio del viento, es decir mediante la utilización de la energía cinética generada por efecto de las corrientes de aire. La energía del viento está relacionada con el movimiento de las masas de aire que desplazan desde áreas de alta presión atmosférica hacia áreas de baja presión, con velocidades proporcionales a la diferencia de presión. Los vientos son generados a causa del calentamiento no uniforme de la superficie terrestre por parte de la radiación solar, entre el 1 y 2% de la energía proveniente del sol se convierte en viento. Ventajas de la energía eólica: Es un tipo de energía renovable y limpia procedente del sol. No contribuye al incremento del efecto invernadero ni al cambio climático. Puede instalarse en espacios no aptos para otros fines como zonas desérticas, próximas a la costa, en laderas áridas y no cultivables. Puede convivir con otros usos del suelo. Su instalación es rápida, entre 6 meses y un año. Su inclusión en un sistema ínterconectado permite ahorrar combustible en las centrales térmicas y/o agua en los embalses de las centrales hidroeléctricas. Su utilización combinada con otros tipos de energía, habitualmente la solar, permite la autoalimentación de viviendas. La situación actual permite cubrir la demanda de energía en España un 30%. Es posible construir parques eólicos en el mar, donde el viento es más fuerte, más constante y el impacto social es menor. Cambio climático y energías alternativas. UMU 2007 Energía eólica Capacidad total de energía eólica instalada Capacidad (MW) Posición País Alemania España USA India Inconvenientes de la energía eólica: No puede utilizarse como única fuente de energía Reconstruir la red de distribución Dificultad intrínseca de prever la producción Impacto paisajístico y en ecosistemas naturales 5 Dinamarca China Italia Reino Unido Portugal Francia Total mundial MW Cambio climático y energías alternativas. UMU

12 El hidrógeno como combustible El hidrógeno no es una fuente de energía: no existe aislado en la naturaleza, por lo que no se puede extraer. Esto significa que si queremos usar hidrógeno para cualquier fin, primero hemos de generarlo, proceso en el que siempre se consume energía. Balance energético de distintos procesos de combustión Contenido energético (kj) Entalpía de reacción Por mol de O 2 Por mol de combustible Por gr de combustible Moles de CO 2 por 1 kj Hidrógeno:2 H 2 + O 2 2 H 2 O Gas: CH 4 + 2O 2 CO H 2 O ,6 1,2 Petróleo:2(-CH 2 -)+3O 2 2CO 2 + 2H 2 O ,6 1,6 Carbón:4(-CH-)+5O 2 4CO 2 + 2H 2 O ,3 2,0 Etanol:C 2 H 5 OH + 3 O 2 2CO 2 +3H 2 O ,3 1,6 Celulosa:(-CHOH-)+O 2 CO 2 +H 2 O ,9 2,2 La economía del hidrógeno es una economía futurible en la cual la energía, para los usos móviles y producción de electricidad. El hidrógeno se ha propuesto para sustituir para a la gasolina y combustibles diesel utilizados en automóviles. Cambio climático y energías alternativas. UMU 2008 Economía del hidrógeno Actualmente las dos principales aplicaciones para el hidrógeno son la producción de amoníaco (NH 3 ) en fertilizantes y para convertir cadenas largas de hidrocarburos (mayoritarios en el petróleo sin refinar) en fracciones más ligeras, para su uso como combustibles. Producción actual de hidrógeno Reformado catalítico de hidrocarburos CH 4 (g) + H 2 O(g) CO(g) + 3 H 2 (g) H = 206 kj mol -1 (T = 1000 o C) CO(g) + H 2 O(g) CO 2 (g) + H 2 (g) H = 41 kj mol -1 (T = 400 o C; cat: Fe 2 O 3 /Cr 2 O 3 ) Electrolisis del agua (medio básico) cátodo: 2 H 2 O(l) + 2 e 2OH (aq) + H 2 (g) ánodo: 2 OH (aq) H 2 O(l) + ½ O 2 (g) + 2 e Actualmente, el 48% de la producción de hidrógeno es a partir del gas natural, el 30% del aceite, y el 18% del carbón; la electrólisis del agua representa solamente 4% Cambio climático y energías alternativas. UMU

13 Pilas de combustible Una celda de combustible es un dispositivo electroquímico similar a una batería, pero se diferencia en que está diseñada para permitir el reabastecimiento continuo de los reactivos consumidos; es decir, produce electricidad de una fuente externa de combustible (hidrógeno, gas natural o etanol) y de oxígeno. Cambio climático y energías alternativas. UMU 2009 Economía del hidrógeno Producción: Combustibles fósiles. Electrólisis. Producción biológica. Energía nuclear. Otros métodos químicos. Almacenamiento: Almacenamiento en CO 2 (ác. Fórmico) Hidruros metálicos Hidrocarburos sintéticos Absorción en compuestos complejos Barreras tecnológicas actuales: Producción Almacenamiento Transporte Uso final Uso final: Vehículos. Generación de electricidad. Pilas de combustibles. Cambio climático y energías alternativas. UMU

14 Economía del hidrógeno Aunque todavía no se hagan vehículos de hidrógeno a gran escala, se están dando grandes saltos en la tecnología de la energía mediante el hidrógeno. Los vehículos de hidrógeno funcionan con una pila de combustible. La pila de combustible genera electricidad para los motores mediante la reacción del hidrógeno de un depósito y el oxígeno del aire. Cambio climático y energías alternativas. UMU 2009 Economía del hidrógeno Las Celdas de Combustible podrían reemplazar a los motores de combustión interna en automóviles, autobuses, camiones y locomotoras. Las Celdas de Combustible podrían dar potencia a automóviles más limpios, silenciosos y más eficientes que los autos a gasolina y con un mayor rango y menores tiempos de recarga de combustible que los autos eléctricos movidos por baterías. Cientos de compañías en todo el mundo están trabajando en celdas de combustible. El país que desarrolle tecnología para Celdas de Combustible tendrá la llave para la siguiente generación de producción de energía. Cambio climático y energías alternativas. UMU

15 Captura de CO 2 Cambio climático y energías alternativas. UMU 2009 Cambio climático y energías alternativas. Economía del hidrógeno. Cambio climático y energías alternativas. UMU