TEMA 2: ENERGÍAS NO RENOVABLES 1. FUENTES DE ENERGÍA Son aquellos recursos naturales capaces de producir algún tipo de energía. Se clasifican en primarias y en secundarias. Fuentes de energía primaria: son todas aquellas formas de energía naturales. Se clasifican en renovables (aquéllas que no tienen peligro de que se agoten) y no renovables (aquéllas cuyas reservas son limitadas). Fuentes de energía secundarias o finales: resultan de la transformación de las energías primarias en otro tipo de energía (gasolina, carbón de coque (procedente de la hulla), electricidad etc).
2. COMBUSTIBLES FÓSILES Proceden de restos vegetales y otros organismos vivos (como plancton) que hace millones de años fueron sepultados por efecto de grandes cataclismos o fenómenos naturales y por la acción de microorganismos, bajo ciertas condiciones de presión y temperatura. Son el carbón, el petróleo y el gas natural. 2.1. CARBÓN Combustible sólido de color negro, compuesto principalmente por carbono y otros elementos químicos, como hidrógeno, nitrógeno, oxígeno, etc. 2.1.1. Tipos de carbón Los carbones se clasifican en minerales y artificiales. Carbón mineral: generado 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 microorganismos, en condiciones de presión y temperatura adecuadas. A medida que pasaba el tiempo, el carbón aumentaba su contenido en carbono, lo cual incrementa la calidad y poder calorífico del mismo. Según este criterio, el carbón se puede clasificar en: - Turba: es el carbón más reciente. Tiene un porcentaje alto de humedad (hasta 90%), bajo poder calorífico (menos de 4000 kcal/kg) y poco carbono (menos de un 50%). 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 5000 kcal/kg, con casi un 70% de carbono y mucha humedad (30%). Se encuentra en minas a cielo abierto. 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: altos hornos).
- 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). Carbones artificiales: los más importantes son el coque y el carbón vegetal. - Carbón vegetal: se obtiene quemando madera. Puede usarse como combustible (braseros, barbacoas), pero su principal aplicación es como absorbente de gases, por lo que se usa en mascarillas antigás. Actualmente su uso ha descendido. - Coque: Se obtiene calentando la hulla en ausencia de aire en unos hornos especiales a 1100 o C durante 16 horas. El resultado es un carbón con un mayor poder calorífico. 2.1.2. Aplicaciones del carbón Es la mayor fuente de combustible usada para la generación de energía eléctrica. Es también indispensable para la producción de hierro y acero; casi el 70 % de la producción de acero proviene de hierro hecho en altos hornos con ayuda del carbón de coque. Del carbón se obtienen importantes productos industriales: Gas ciudad: en la actualidad se emplea en las propias coquerías o para la industria. Fue retirado del uso doméstico por ser muy tóxica su inhalación en caso de fuga.
Vapores amoniacales: de los que se obtiene sulfato amónico, usado como fertilizante. Grafito. Brea o alquitrán: de la que se obtienen: Aceites: de los que se obtienen medicamentos como el ácido acetil salicílico, colorantes, insecticidas, explosivos Pez: Para pavimentar carreteras e impermeabilizar tejados. 2.1.3. Nuevas tecnologías aplicadas a las centrales térmicas. Están destinadas a disminuir la contaminación del medio ambiente. Combustión en lecho fluido. Consiste en, una vez molido el carbón, mezclarlo con partículas de cal con la finalidad de aumentar la superficie de contacto y que el carbón arda mejor y de hacer que la cal reaccione con el azufre del carbón y así evitar su emisión a la atmósfera generando lluvia ácida. Gasificación del carbón. Consiste en inyectar aire junto con vapor de agua al carbón, generando una emisión de gas que posteriormente se quema para aprovechar su energía.
2.1.4. Sectorización del consumo del carbón.
2.1.5. Ventajas y desventajas del uso del carbón. VENTAJAS Se obtiene una gran cantidad de energía de forma sencilla, cómoda y regular. El carbón se suele consumir cerca de dónde se explota. Se ahorran costes de transporte. Seguro en su transporte, almacenamiento y utilización. DESVENTAJAS Su extracción es peligrosa en cierto tipo de yacimientos. Al ser no renovable se agotará en el futuro. Su combustión y extracción genera problemas ambientales. Contribuye al efecto invernadero, la lluvia ácida y alteración de ecosistemas. 2.2. PETRÓLEO Es un combustible natural constituido principalmente por una mezcla de hidrocarburos (mezcla de carbono e hidrógeno). La mayor parte del petróleo que existe se formó hace unos 85 90 millones de años. Su poder calorífico oscila entre las 9000 y 11000 kcal/kg.
2.2.1. Origen Su proceso de formación es similar al del carbón. Procede de la transformación, por acción de determinadas bacterias, de enormes masas de plancton sepultadas por sedimentos en áreas oceánicas en determinadas condiciones de presión y temperatura. El resultado es un producto más ligero (menos denso) por lo que asciende hacia la superficie, gracias a la porosidad de las rocas sedimentarias. Cuando se dan las circunstancias geológicas que impiden dicho ascenso (trampas petrolíferas como rocas impermeables,...) se forman entonces los yacimientos petrolíferos. Estos depósitos se almacenan en lugares con roca porosa y hay rocas impermeables (arcilla) a su alrededor que evita que se salga. 2.2.2. Yacimientos. Para detectarlos es necesario realizar un estudio geológico de la zona (por medio de ondas que sufren modificaciones en su trayectoria). Normalmente se encuentran bajo una capa de hidrocarburos gaseosos. Cuando se perfora y se llega a la capa de petróleo, la presión de los gases obliga al petróleo a salir a la superficie, por lo que suele inyectarse agua o gas para incrementar esta presión. Algunos se encuentran a una profundidad que puede alcanzar los 15000 m.
2.2.3. Refino del petróleo. El petróleo crudo carece de utilidad. Sus componentes deben separarse en un proceso denominado refino. Esta técnica se hace en unas instalaciones denominadas refinerías. Los componentes se separan en la torre de fraccionamiento calentando el petróleo. En la zona más alta de la torre se recogen los hidrocarburos más volátiles y ligeros (menor temperatura) y en la más baja los más pesados (mayor temperatura). Del refino del petróleo se extraen los siguientes productos, comenzando por aquellos más pesados, obtenidos a altas temperaturas en la parte más baja de la torre de fraccionamiento: Alquitrán: para recubrir carreteras. Ceras (parafinas, vaselinas): Usos industriales. Aceites pesados: Para lubricar máquinas. (~ 360ºC) Fuelóleo: Se utiliza en centrales térmicas en sustitución del carbón. Gasóleos: Para calefacción y motores Diesel. Queroseno: Para motores de aviación. Gasolinas: Para el transporte de vehículos. (20ºC 160ºC) Gases: Butano, propano, como combustibles domésticos. 2.2.4. Transporte. - Oleoductos: tubos de acero protegidos de 80 cm de diámetro que enlazan yacimientos con refinerías y puertos de embarque. - Petroleros: buques cuyo espacio de carga está dividido por tabiques formando tanques. - Transporte por ferrocarril y carretera: se emplea cuando ninguno de los métodos anteriores es rentable. Emplea vagones o camiones cisterna.
2.2.5. Ventajas y desventajas del uso del petróleo. VENTAJAS Produce energía de forma regular con buen rendimiento. De él se obtienen diferentes productos. DESVENTAJAS Al no ser renovable, sus reservas disminuyen y su precio se encarece. Su manipulación es peligrosa. Su combustión y extracción genera problemas ambientales. Contribuye al efecto invernadero, la lluvia ácida y alteración de ecosistemas. Para disminuir los problemas medio ambientales se han tomado las siguientes medidas: - Usar gasolina sin plomo. - Usar gasóleos libres de azufre. - Sustitución de instalaciones de gasóleo y fuelóleo por otras de gas natural
2.3. GAS NATURAL Se obtiene de yacimientos. Consiste en una mezcla de gases que se encuentra almacenada en el interior de la tierra, unas veces aisladamente (gas seco) y en otras ocasiones acompañando al petróleo (gas húmedo). Su origen es semejante al del petróleo, aunque su extracción es más sencilla. Consiste en más de un 70% de metano, y el resto es mayoritariamente, etano, propano y butano. Es un producto incoloro e inodoro, no tóxico y más ligero que el aire. Su poder calorífico ronda las 11000 kcal/ m3. Una vez extraído, se elimina el agua y se transporta empleando diversos métodos. Para su transporte se emplea: - Gasoductos: Tuberías por las que circula el gas a alta presión, hasta el lugar de consumo. - Buques cisterna: En este caso, es necesario licuar primero el gas. De este modo, el gas se transforma en forma líquida. Al llegar al destino se regasifica. Se emplea como combustible en centrales térmicas, directamente como combustible (vehículos) y como combustible doméstico e industrial. El gas natural es la segunda fuente de energía primaria empleada en Europa (representa un 20% del consumo) y está en alza. Su nivel de contaminación es bajo, comparado con otros combustibles, pues casi no presenta impurezas (algo de sulfuro de hidrógeno, H2S, que se puede eliminar antes de llegar al consumidor) y produce energía eléctrica con alto rendimiento. Es limpio y fácil de transportar. El inconveniente está en que los lugares de producción están lejos de Europa, por lo que se necesitan los sistemas ya citados. 3. ENERGÍA NUCLEAR. La energía nuclear se desprende de los núcleos de los átomos cuando se produce lo que se llama una reacción nuclear. El principio en el que se basa el aprovechamiento de la energía nuclear es la equivalencia que existe entre masa y energía.
Si se divide un núcleo atómico de masa M en dos, la suma de las masas de cada una de las mitades será menor que el núcleo inicial. Esto, que aparentemente es imposible, se debe al hecho de que parte de la masa del núcleo atómico se ha transformado y liberado en forma de energía, siguiendo el principio de Albert Einstein. E = m c 2 E (Energía en julios), m (masa en kg), c (velocidad de la luz: 3 10 8 m/s) 3.1. TIPOS DE REACCIONES NUCLEARES 3.1.1. Fisión nuclear. Consiste en romper un núcleo de un átomo de uranio ( 235 U ) o de plutonio ( 239 Pu). Estos son los dos únicos isótopos fisionables (cuando se rompen emiten gran cantidad de energía) y además inestables (están emitiendo partículas, lo que hace que se conviertan en otro átomo distinto). El proceso se inicia lanzando un neutrón a gran velocidad sobre el átomo que se desea fisionar. Al chocar el neutrón contra el núcleo, lo rompe en dos fragmentos (dos nuevos átomos), liberando tres neutrones y gran cantidad de calor. Una reacción nuclear típica podría ser: 1n + 235 U = 93 Cs + 140 Rb + 3n Cada uno de los tres neutrones emitidos puede provocar nuevas fisiones en otros núcleos, continuando el proceso. A cada instante habrá muchísimos más núcleos que se rompen, liberando mayor cantidad de calor (reacción en cadena).
Componentes de una central nuclear: a) Reactor nuclear. En él se produce la reacción nuclear de fisión. Consta de: Tubos de acero inoxidable: en los que se introduce el combustible formado por pastillas de uranio. Barras de control: están formadas por carburo de boro O CADMIO, porque absorben muy bien los neutrones. Si las barras están totalmente levantadas, se producirá una reacción en cadena. Si las barras son totalmente introducidas en el núcleo, la reacción en cadena se detiene. Moderador: (Deuterio, berilio, agua ligera o grafito). Su finalidad es reducir la velocidad de los neutrones, pues se ha comprobado que los neutrones a velocidades lentas (2,2 km/s) tienen más posibilidades de impactar con un núcleo que los que se desprenden a grandes velocidades (20.000 km/s). b) Turbina: a ella llega vapor a presión. El giro de la turbina mueve un alternador que genera corriente eléctrica. c) Condensador: Para que la turbina funcione correctamente es necesario licuar el vapor que sale de ella. El condensador o intercambiador de calor consiste en un depósito lleno de agua por el que pasa una tubería con el vapor de agua que se quiere enfriar. La tubería cederá calor al agua del depósito. Para sacar ese calor del depósito se introduce otra tubería que entra con agua fría y sale con agua caliente. d) Circuito de refrigeración: el núcleo del reactor está rodeado por un líquido refrigerante cuya misión es evacuar el calor. (Deuterio, protio o helio).
3.1.2. Fusión nuclear. Consiste en la unión de dos núcleos de átomos ligeros para conseguir un núcleo nuevo más pesado y el desprendimiento de gran cantidad de energía. Los átomos de un gas están siempre en movimiento desordenado, chocando unos contra otros. A medida que se calientan, aumenta su velocidad. Si la velocidad se eleva a varios miles de km/s (aplicándoles calor hasta que su temperatura llegue a millones de grados), pueden vencer la propia repulsión de sus núcleos y así fundirse al chocar, generando un átomo nuevo. Este proceso libera gran cantidad de energía en forma de calor. El deuterio y el tritio se pueden obtener del hidrógeno y este del agua dulce o del agua de mar, con lo que resultaría una fuente inagotable de energía. De momento, este tipo de energía todavía se encuentra en estado de experimentación, ya que se gasta más de la que se obtiene. Se presentan los siguientes problemas: - El gas debe calentarse a unos 300 000 000 o C para que sea rentable. - Disponer de un recipiente que pueda soportar altísimas temperaturas. - Extraer la energía liberada y transformarla en electricidad. 3.2. CENTRALES NUCLEARES EN ESPAÑA Y EN EUROPA.
3.3. VENTAJAS Y DESVENTAJAS DE LA ENERGÍA NUCLEAR. VENTAJAS Es una fuente de energía enorme. La contaminación atmosférica generada es prácticamente nula. Sirve para propulsión de barcos, submarinos y portaaviones. DESVENTAJAS Se pierde mucha energía en los circuitos de refrigeración. Las instalaciones son muy costosas, pues constan de complicados sistemas de seguridad. Los residuos radiactivos que generan deben ser tratados y luego enterrados, pues emiten radiación durante miles de años. Una central media puede generar unas 60 toneladas de residuos al año. Las instalaciones son peligrosas y en caso de desmantelamiento, el coste es muy alto. 3.4. IMPACTO AMBIENTAL La utilización de energía nuclear por fisión entraña una serie de riesgos que es importante conocer: Riesgo de explosiones nucleares en las centrales. Es bastante improbable. Fugas radiactivas: no son normales, pero han ocurrido. Exposiciones a radiaciones radiactivas. Residuos radiactivos: pueden ser gaseosos, líquidos o sólidos en función de su estado y de baja, media y alta radiactividad según su peligrosidad. Los residuos de baja y media radiactividad se mezclan con hormigón y se meten en bidones, que se almacenan, primero en depósitos de la central y luego en un emplazamiento subterráneo. Los residuos de alta radiactividad, se meten en piscinas de hormigón llenas de agua para reducir su peligrosidad y luego sufren un proceso similar al anterior. Impacto paisajístico Descarga de agua caliente: alteración ecosistemas Emisión del vapor de agua: modificación microclima del entorno Funcionamiento de las turbinas: ruido
EJERCICIOS 1. Cuando se produce una reacción nuclear, la masa del combustible aumentará, disminuirá o será la misma al final del proceso? Razónalo. 2. Qué papel tienen las barras de cadmio en un reactor nuclear? Razona por qué se introducen en el seno del reactor para parar la central. 3. Por qué no se utilizan las reacciones de fusión para obtener energía? 4. Averigua quiénes fueron las siguientes personas: Becquerel, Pierre y Marie Curie, Rutherford y Röntgen. Qué tienen todos en común? 5. Cuántas centrales nucleares existen actualmente en España? Enuméralas. 6. Qué es un isótopo? 7. Qué usos tiene la energía nuclear en medicina? 8. Realiza un breve informe sobre el accidente nuclear de Chernobil. Apóyate en las hemerotecas y en las enciclopedias. 9. Explica por qué crees que se está buscando petróleo en la zona comprendida entre Marruecos y las islas de Lanzarote y Fuerteventura. Estudia los impactos que podrían producirse. PROBLEMAS 1. En una reacción de fisión, se produce una pérdida de masa de 0,3 g. Calcula la energía producida en ev. (1 ev = 1,6 10-19 J) ( Sol: E = 1,69 1032 ev) 2. En una reacción de fisión, se produce una pérdida de masa de 0,25 mg. Calcula la energía producida en ev. (1 ev = 1,6 10-19 J) ( Sol: E =1,4 1029 ev) 3. En una reacción nuclear se produce una pérdida de masa de 230 mg. Calcula la energía liberada en esa reacción en ev. (Sol: E = 1,29 1032eV) 4. Sabiendo que el poder calorífico del carbón es Pc = 7200 kcal/kg, y el del gasóleo es Pc=11200 kcal/kg, determina qué cantidad de cada uno de ellos sería necesario quemar para obtener una energía equivalente a la obtenida si se desintegrase por completo 1 kg de uranio. 5. En una zona turística, para subir a lo alto de una montaña de 500 m se emplea una locomotora de vapor. Suponiendo que la locomotora, junto con los viajeros, pesa 30 t,
determina qué cantidad mínima de carbón de antracita es necesario quemar si el rendimiento es del 8%. 6. Suponiendo que el poder calorífico medio del carbón consumido en España en el año 2010 fue de 7000 kcal/kg y que las centrales térmicas usadas tuvieron un rendimiento del 33%, calcula la energía eléctrica producida por ellas en MWh.