Unidad Didáctica: ENERGÍAS NO RENOVABLES

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1 INSTITUTO DE ENSEÑANZA SECUNDARIA VILLA DE MAZO CONSEJERÍA DE EDUCACIÓN CULTURA DEPORTE GOBIERNO DE CANARIAS DEPARTAMENTO DE TENOLOGÍA. IES VILLA DE MAZO Unidad Didáctica: ENERGÍAS NO RENOVABLES 1. INTRODUCCIÓN La Asociación Internacional de la Energía (AIE) utiliza una unidad de energía, denominada tonelada equivalente de petróleo (tep), cuyo valor es igual a 10 7 kilocalorías. Es decir, existen otras unidades que se usan para calcular la calidad energética de los combustibles y que están basadas en el poder calorífico de estos combustibles. tep Toneladas equivalentes de petróleo tec Toneladas equivalentes de carbón 1 tep es la energía liberada en la combustión de 1 tonelada de crudo 1 tec es la energía liberada en la combustión de 1 tonelada de carbón (hulla) 1 tep = tec Actividad 1 Calcular a cuántas toneladas equivalente de petróleo (tep) es igual a 1Mwh FACTORES DE CONVERSIÓN A UTILIZAR. 1Mwh (megavatio hora) = kwh d petróleo =0,873kg/l 1 Mtep (megatonelada equivalente de petróleo)= tep 1 ktep (kilotonelada equivalente de petróleo) = tep 1 Mwh = kcal = tep 1 tep = 7,0256 bep (barriles equivalentes de petróleo). 1 tep = kcal = J 1 kilotón (kt) = J 1 megatón (Mt) = J Actividad 2. Realizar los siguientes factores de conversión. Pasar a kwh 3 Mwh, 6Mtep, 7000tep, 500ktep, 6bep, 7kt, 9Mt.

2 2. FUENTES DE ENERGÍA Se llama fuente o recurso energético a todo aquello de lo que se puede extraer energía. La mayoría de las fuentes de energía, tienen su origen último en el Sol (eólica, solar,.). Únicamente la energía nuclear, la geotérmica y la de las mareas no derivan de él. Las fuentes de energía o recursos energéticos se suelen clasificar atendiendo a varios criterios entre los que destacamos los siguientes: a.- Por su duración tenemos: 1. Fuentes o Recursos no renovables, aquellas que nos proporciona la naturaleza, pero que, una vez consumidas, no hay forma de obtener de nuevo. Esto quiere decir que sus reservas son limitadas, por lo que un consumo excesivo puede llegar a agotarlas antes de lo previsto. 2. Fuentes o Recursos renovables, aquellas que están disponibles para el ser humano sin peligro de que se agoten, pues la propia naturaleza, en condiciones normales, nos las seguirá proporcionando. b.- Por su obtención se distinguen: 1. Fuentes o Recursos primarios (como el petróleo bruto). Son todas aquellas formas de energía naturales que actualmente utiliza el hombre y que se obtienen directamente de la naturaleza. Se pueden clasificar en renovables y no renovables 2. Fuentes o Recursos secundarios, a aquellas energías resultantes de la transformación de las energías primarias en otro tipo de energía. Algunos ejemplos de energías secundarias son la gasolina, el gasóleo, el queroseno y otros derivados del petróleo; el carbón de coque (procedente de la hulla); la electricidad, etcétera. Se define reserva energética como todo aquel recurso que es técnicamente explotable y económicamente rentable. Evidentemente la técnica avanza y el mercado cambia su demanda, por lo que las reservas energéticas varían con el tiempo.

3 La energía eléctrica, por tratarse de una energía cómoda, de fácil transformación y transporte, gran parte de la energía se transforma en energía eléctrica en instalaciones adecuadas, denominadas centrales eléctricas. En el siguiente esquema se puede ver la relación existente entre un tipo de energía y otro. Observa que cada una de las distintas energías es transformada en energía eléctrica.

4 LA COGENERACIÓN Se aplica este término a aquellos procesos en los que se genera la electricidad y el calor, conjunta y simultáneamente en el mismo lugar donde se demanda. El rendimiento, tanto eléctrico como térmico, es muy elevado, llegando incluso al 90%. Este proceso se lleva a cabo a través de módulos de cogeneración que pueden estar formados por: Turbinas. El combustible se quema en el quemador (1), produce vapor de agua, a gran presión y alta temperatura que alimenta la turbina (2); ésta hace girar a un generador (3), y produce, de esta forma, la electricidad (4). Mientras tanto, el vapor procedente de la turbina calienta una caldera (5) que origina agua caliente para servicios domésticos o procesos industriales (6). Si la temperatura del vapor, en el punto (6), es inferior a la procedente de la turbina, se puede añadir un quemador más en la caldera (5). Se utilizan cuando se requieren grandes potencias. Se fabrican con potencias superiores al megavatio y pueden trabajar con gas natural, combustible diesel, biogás e incluso gas de vertederos. Motores de ciclo diesel. Al igual que en el caso de las turbinas, suelen funcionar con gas-oil, gas natural, biogas o gas de vertederos, según las necesidades y combustible disponible en la zona. Suelen utilizarse para potencias de 70 kw a 2 MW. Los sistemas de cogeneración significan un ahorro considerable de energía primaria, al mismo tiempo que reducen la contaminación medioambiental. En España, la producción de energía por cogeneración supuso en 1990 el 3,3 % de la energía total.

5 3. COMBUSTIBLES FÓSILES Los combustibles fósiles son el carbón, el petróleo y el gas natural. Todos ellos proceden de restos vegetales y otros organismos vivos (generalmente plancton marino) que hace millones de años fueron sepultados por efecto de grandes cataclismos o fenómenos naturales y se fueron transformando, por la acción de microorganismos, bajo unas condiciones de temperatura y presión adecuadas. Según el residuo orgánico de que se trate, así como las condiciones y tiempo de permanencia en el lugar, tenemos combustibles sólidos (carbón), combustibles líquidos (petróleo) y combustibles gaseosos (gas natural) EL CARBÓN El carbón es un combustible sólido de color negro, compuesto fundamentalmente por carbono y otros elementos químicos, como hidrógeno, nitrógeno, oxígeno, etcétera. El término carbón se puede aplicar a sustancias de diversos orígenes, como la leña parcialmente quemada, que se puede utilizar como combustible. En todos los casos se lleva a cabo un proceso denominado carbonización, que consiste en eliminar de una sustancia orgánica todos los elementos que no sean carbono. Industrialmente, los tipos básicos que se consideran son el carbón vegetal y el mineral. A.- El carbón vegetal El proceso de obtención del carbón vegetal comienza apilando leña para formar unos montículos que luego se recubren de tierra. Posteriormente se prende fuego al centro de la carbonera y el calor que desprende de la combustión de la leña central cuece toda la madera a unos 400ºC. Durante la carbonización, la madera elimina su humedad y las sales y azúcares de la savia que contienen nitrógeno, hidrógeno, oxígeno o fósforo; de esta forma queda un material negro, brillante, poroso y ligero. Este carbón vegetal se utiliza como combustible en calefacción doméstica o en fraguas de hierro. b.- El carbón mineral El carbón de origen mineral o simplemente carbón es el resultado de la carbonización de restos orgánicos vegetales durante millones de años. Es un sustancia fósil, que se encuentra bajo la superficie terrestre generada como resultado de la descomposición lenta de la materia orgánica de los bosques, acumulada en lugares pantanosos, lagunas y deltas fluviales, principalmente durante el período Carbonífero Estos vegetales enterrados sufrieron un proceso de fermentación en ausencia de oxígeno, debido a la acción conjunta de

6 microorganismos, en condiciones de presión y temperatura adecuados. A medida que pasaba el tiempo, el carbón aumentaba su contenido en carbono, lo cual incrementa la calidad y poder calorífico del mismo El carbón mineral se clasifica por la proporción del elemento carbono que contiene. ANTRACITA HULLA LIGNITO TURBA Contenido en carbono Poder calorífico Combustión % % % % kcal/kg kcal/kg kcal/kg kcal/kg Llama azulada y poco luminosa Arde sin humos Llama corta y luminosa Llama muy larga Emite mucho humo Sólo cuando se seca Emite humo denso Utilización Combustible de alta calidad Obtención coque Centrales eléctricas Calefacción de Calefacción Modelado en forma de briquetas o bloque sólido para calefacción Turba: es el carbón más reciente. Tiene un porcentaje alto de humedad (hasta 90%), bajo poder calorífico y poco carbono. Se debe secar antes de su uso. Se encuentra en zonas pantanosas. Se emplea en calefacción y como producción de abonos. Tiene muy poco interés industrial debido a su bajo poder calorífico. Lignito : poder calorífico en torno a las 6000 kcal/kg, con más de un 60 % de carbono y mucha humedad (30%). Se encuentra en minas a cielo abierto y por eso, su uso suele ser rentable. Se emplea en centrales térmicas para la obtención de energía eléctrica y para la obtención de subproductos mediante destilación seca. Hulla : tiene alto poder calorífico, más de 7000 kcal/kg y elevado porcentaje de carbono (85%). Se emplea en centrales eléctricas y fundiciones de metales. Por destilación seca se obtiene amoniaco, alquitrán y carbón de coque (muy utilizado en industria. Se obtiene calentando la hulla en ausencia de aire en unos hornos especiales. El resultado es un carbón con un mayor poder calorífico). -Antracita : es el carbón más antiguo, pues tiene más de un 90% de carbono. Arde con facilidad y tiene un alto poder calorífico (más de 8000 kcal/kg). EXTRACCIÓN DEL CARBÓN

7 La extracción del carbón se puede realizar mediante canteras a cielo abierto en yacimientos de lignito, que están a poca profundidad. Pero es más frecuente la extracción en mina, que es una red de pozos y galerías subterráneas escavadas hasta encontrar las vetas. Como medidas de seguridad, todas las galerías están entibadas, es decir, reforzadas con arcos de acero y traviesas de madera para evitar su hundimiento, y al agotarse una galería o un pozo, se rellena con restos o se produce un derrumbamiento controlado. Además se mantiene una buena ventilación por todo el interior de la mina para suministrar aire a los mineros y para evacuar el gas grisú, que es el metano retenido durante la carbonización del yacimiento. Los trozos de carbón se extraen de la mina mediante vagonetas y se lavan, se trituran y se clasifican. Por fin se transportan por tren o camión hasta las centrales eléctricas cercanas o a los centros de distribución para el consumo doméstico, desde donde se realiza la distribución por medio de camiones. La técnica más moderna de transporte de carbón consiste en pulverizarlo y mezclarlo con agua, para obtener un fluido que se bombea por unos tubos llamados carboductos. Cuando el carbón se importa desde países lejanos se utilizan los barcos carboneros. (Ver infografía sobre el carbón) APLICACIONES DEL CARBÓN El carbón, aunque en la actualidad ha perdido mucha importancia debido a su alto poder contaminante, todavía sigue teniendo bastantes aplicaciones como fuente primaria de energía. En el cuadro de la página siguiente se reflejan algunas de ellas Observa que, atendiendo a su finalidad, se pueden clasificar en cuatro grandes grupos: 1. Combustible de uso general 2. Coque para la industria 3. Producción de productos químicos 4. Gas de aplicación doméstica Materia Forma de uso Producto obtenido Aplicación prima Carbón Directamente Combustible Centrales térmicas Coque Coque Materia Gas ciudad Cocinas domésticas volátil Amoniaco Fertilizantes Destilación Brea Carbón de retorta (prácticamente puro) = Grafito Pavimentos de carreteras Electrodos (por su alta conductividad elétrica La primera de las aplicaciones se consigue con el carbón mineral, utilizándolo directamente de la mina sin ninguna transformación y se utiliza básicamente en las centrales térmicas. También se usa en pequeñas calderas (por ejemplo de calefacción en viviendas), pero actualmente la mayoría se han sustituido por otras que utilizan combustibles más cómodos de manipular y, ante todo, menos contaminantes al medio ambiente

8 De la destilación del carbón se obtiene en primera etapa un producto sólido, denominado coque, otro gaseoso y en las paredes del horno queda carbono prácticamente puro que se utiliza para distintos fines como por ejemplo la fabricación de electrodos. 1. Coque. Básicamente se utilizan en la siderurgia para obtener arrabio en el horno alto. En este proceso el carbón realiza dos funciones vitales: Servir como combustible, para fundir el mineral de hierro. Emitir gases que reaccionen con los óxidos ferrosos para transformarlos en hierro (proceso de reducción, contrario a la oxidación). 2. Material gaseoso o volátil. En la composición del carbón entran elementos volátiles que en la primera fase de la destilación se evaporan. de estos gases, se obtienen los siguientes productos: Gas ciudad Combustible con poder calorífico de unas 5ooo kcal/m 3, utilizado en las cocinas domésticas. Actualmente se está reemplazando por gas natural Vapores amoniacales. De ellos se suele obtener sulfato amónico, que se usa como abono o fertilizante. Brea o alquitrán, de la que se obtienen: Aceites. De ellos se sacan productos tales como medicamentos (ácido acetilsalicílico), colorantes, insecticidas, explosivos, plásticos, etcétera. Pez. Para pavimentar carreteras (asfalto) e impermeabilizar tejados.

9 RESERVAS DE CARBÓN EN ESPAÑA. Las reservas de carbón en España se concentran en León, Asturias y Teruel. Los recursos del mineral de carbón en España se estiman en casi 4000 millones de toneladas y al ritmo de consumo actual tendrían una duración de unos cien años, por lo que se pone de manifiesto la necesidad de llevar a cabo una explotación racional de los recursos. La calidad de los carbonos es aceptable, pero en muchos casos resulta muy caro debido a los costes de producción. Debido al problema que plantea el transporte de este combustible, las centrales se sitúan próximas a las minas y las que utilizan carbón importado en la costa. Esto da lugar a que las centrales se sitúen lejos de las zonas de consumo de energía eléctrica, pero el transporte de ésta es más económico que el del carbón. Carbón y Medio Ambiente. La utilización del carbón genera sobre el medio ambiente diversos efectos nocivos, comunes en mayor o menor grado, a todos los combustibles sólidos. Éstos son: 1.- Repercusiones sobre el suelo.- Explotaciones a cielo abierto, aunque la restauración posterior que ha de realizarse elimina en parte este impacto Deterioro de la capa superficial, debido a la lluvia ácida 2.- Repercusiones sobre el agua.- Térmica. La central térmica necesita un circuito de refrigeración para condensar el vapor. Si este circuito recoge el agua del río o el mar y la devuelve al mismo, eleva la temperatura del medio, alterando el ecosistema. Para evitarlo, las grandes centrales disponen de un sistema cerrado y emplean torres de refrigeración. Este calor, con proyectos adecuados, se puede utilizar como elemento calefactor y no desperdiciarlo; por ejemplo, en instalaciones agrícolas cercanas (invernaderos) y granjas avícolas cercanas. Física y química. Se producen principalmente en la minería y en el sistema de tratamiento de aguas. El agua arrastra partículas, contaminando ríos, mares y en general el ecosistema próximo 3.- Repercusiones acústicas.- Sobre todo las centrales térmicas, para evitar los ruidos, aíslan sus elementos más ruidosos de forma que el impacto sobre poblaciones cercanas se mantenga por debajo de límites aceptables 4. Repercusiones sobre la atmósfera.- La combustión del carbón, aparte de la energía calorífica y residuos sólidos, origina los siguientes residuos que pasan a la atmósfera: Óxidos de azufre (SO x ) Óxidos de nitrógeno (NO x ) Partículas Anhídrido carbónico (CO 2 ) Vapor de agua Los dos últimos son inherentes a cualquier combustión. El resto son productos de una mala combustión o de las impurezas que contiene el mismo carbón.

10 Estos gases, si no son absorbidos por procesos naturales, originan un cambio de la proporción de los mismos en el aire y traen como consecuencia efectos perjudiciales para la vida en nuestro planeta. Las causas más graves son: 1.1. Efecto Invernadero.- La atmósfera actúa de pantalla con los rayos solares, absorbiendo parte de los mismos, con lo que se regula la temperatura en la tierra. Si el porcentaje de los distintos gases varía, la cantidad de rayos retenidos también varía. El problema actual, con el aumento tan grande del porcentaje de CO 2 es que la temperatura del planeta está aumentando y cambiando las condiciones climáticas de muchas zonas Lluvia ácida.- Se genera como consecuencia de la emisión de azufre y óxido de nitrógeno a la atmósfera. Se producen mayoritariamente en centrales térmicas de carbón y en menor medida en los automóviles. Estas emisiones reaccionan en la atmósfera con el vapor de agua, gracias a los rayos solares, transformándose en ácido sulfúrico y ácido nítrico, que se precipitan hacia la tierra en forma de lluvia, cayendo, incluso, a largas distancias del lugar de emisión debido al viento Pérdidas de parte del manto fértil del suelo y la destrucción de buena parte de bosques Contaminación de los ríos y mares que dañan la vida acuática y deterioran el agua que consumimos Deterioro del patrimonio arquitectónico.- Los gases producidos por la combustión del carbón atacan la piedra, poniendo en peligro su conservación. 5. Tratamiento de residuos.- Los residuos sólidos originados en la combustión del carbón (cenizas ricas en azufre) no suelen perjudicar al medio ambiente, siempre que se depositen en vertederos controlados. Para saber más sobre el tema: Instituto Nacional del Carbón y European Carbon and Graphite Association