Tema 2. Fuentes de energía PDF

UNIDAD 12 Fuentes de energía (ITE. Banco de imágenes) n la Unidad anterior estudiamos las transformaciones de energía y la forma de obtener E energía eléctrica en una central. Ahora...

UNIDAD 12 Fuentes de energía (ITE. Banco de imágenes) n la Unidad anterior estudiamos las transformaciones de energía y la forma de obtener E energía eléctrica en una central. Ahora corresponde abordar el estudio de las distintas fuentes de energía que se utilizan en dichas centrales y también en las máquinas de uso cotidiano. Hemos visto también que las energías de mayor consumo en nuestro país y en el mundo son las derivadas de los combustibles fósiles (carbón, petróleo y gas natural); no obstante, estas energías, así como la nuclear, son no renovables: vienen de recursos que un día se agotarán, su explotación genera un impacto ambiental, y además los países que son pobres en estos recursos, como es el caso de España, tienen que comprarlos a terceros. Por ello durante los últimos años se está investigando e invirtiendo en energías alternativas a las tradicionales. A lo largo de la Unidad abordaremos el estudio de su funcionamiento, ventajas e inconvenientes. Los objetivos que nos proponemos alcanzar en esta Unidad son los siguientes: 1. Conocer cómo se obtienen y qué propiedades poseen las distintas fuentes de energía, tanto las llamadas convencionales como las alternativas. 2. Conocer y valorar los efectos que el empleo de las distintas fuentes de energía genera sobre el medio ambiente. 316  FUENTES DE ENERGÍA NO RENOVABLES RENOVABLES COMBUSTIBLES FÓSILES ENERGÍA NUCLEAR HIDRÁULICA BIOMASA CARBÓN EÓLICA - Tipos - Usos SOLAR: PETRÓLEO - Impacto ambiental - Fotovoltaica - Ventajas - Térmica - Inconvenientes GAS NATURAL GEOTÉRMICA ÍNDICE DE CONTENIDOS 1. COMBUSTIBLES FÓSILES........................................................................................... 318 1.1. El carbón....................................................................................................... 318 1.2. El petróleo...................................................................................................... 320 1.3. El gas natural................................................................................................... 324 1.4. Ciclo combinado................................................................................................. 325 1.5. Cogeneración................................................................................................... 326 2. ENERGÍA NUCLEAR................................................................................................ 328 3. ENERGÍAS RENOVABLES............................................................................................ 332 3.1. Energía hidráulica................................................................................................ 333 3.2. Biomasa....................................................................................................... 335 3.3. Energía eólica.................................................................................................. 337 3.4. Energía solar.................................................................................................... 338 3.5. Energía geotérmica............................................................................................... 341 3.6. Pilas de hidrógeno............................................................................................... 342 317 UNIDAD FUENTES DE ENERGÍA 12 1. Combustibles fósiles Como ya habrás estudiado en cursos anteriores, los combustibles fósiles son fuentes de energía no renovables que tienen su origen en restos de plantas y animales que han permanecido durante millones de años sepultados por capas de sedimentos; su descomposición y diversas reacciones químicas dieron origen al carbón, al petróleo y al gas natural. Los dos últimos reciben el nombre de hidrocarburos. Los combustibles fósiles son las fuentes de energía de las centrales térmicas convencionales; en ellas el calor se obtiene quemando en una caldera carbón, gas natural o un derivado del petróleo. El calor de la combustión se empleará para calentar agua, y los gases resultantes salen a la atmósfera por una chimenea, generando un impacto ambiental, que será más o menos considerable según las impurezas presentes en el combustible. A continuación estudiaremos cada uno de los tres principales combustibles fósiles por separado. 1.1. El carbón Este combustible fósil, muy rico en carbono, se encuentra desde hace tiempo en franco declive en nuestro país, debido al dominio del petróleo en el sector energético y a su sustitución en la generación de electricidad por las energías alternativas y por ciclos combinados que suelen funcionar a partir de gas natural, como veremos más adelante. No obstante, el progresivo encarecimiento del petróleo podría invertir esta tendencia al hacer más rentable y más interesante el uso de cualquier otra fuente de energía, incluido el carbón. Usos El principal uso del carbón es la generación de energía eléctrica en centrales térmicas, pero también tienen una importancia considerable otras aplicaciones: Su empleo en la siderurgia, tanto en la obtención de acero como de carbón de coque. Su utilización en la industria de la construcción, en particular para la fabricación de cemento y de ladrillos. En países en vías de desarrollo, todavía es frecuente su empleo para uso doméstico. Tipos Existen cuatro clases principales de carbón, que podemos ordenar de mayor a menor calidad: La antracita es el más rico en carbono, menos contaminante y de mayor poder calorífico. La hulla tiene también un contenido en carbono y poder calorífico considerables, pero contiene más impurezas que la antracita. A partir de ella se obtiene el carbón de coque. El lignito tiene un grado de impurezas mayor que la hulla y es también peor combustible. La turba es el carbón de peor calidad, con un bajo contenido en carbono y escaso poder calorífico. La zona más rica en carbón del territorio español es el noroeste. Así, Asturias cuenta con un gran número de yacimientos. La mayor central térmica en España que trabaja con carbón está situada en el municipio de As Pontes (A Coruña); emplea hulla y lignito y genera una potencia de unos 1400 MW. 318  Obtención y transporte Las minas de carbón pueden estar en el exterior, a cielo abierto, pero no es lo más habitual. Normalmente el yacimiento es subterráneo y es necesario cavar pozos y excavar galerías para llegar hasta él; también es preciso apuntalar las galerías y las distintas capas de profundidad para evitar el derrumbe, además de diseñar un sistema de conductos que permitan ventilar la zona para evitar explosiones o asfixia producidas por los gases que se desprenden al extraer el material. La minería es una actividad dura y peligrosa; pueden producirse desplomes en las galerías y los mineros pueden contraer enfermedades crónicas del pulmón por respirar sustancias tóxicas. La extracción tradicional del carbón mediante pico y pala se ha ido sustituyendo por perforadoras neumáticas. El carbón obtenido se acumula en vagonetas o se asciende a la superficie mediante cintas transportadoras y montacargas. Posteriormente se traslada hacia los puntos de consumo transportándolo en ferrocarriles y / o barcos. Mina de carbón de Aboño, en Asturias. (ITE. Banco de imágenes) Impacto ambiental La quema de carbón es una reacción de combustión con un esquema de este tipo: C+ O2 → CO2 El producto de esta reacción, el dióxido de carbono, es un gas de efecto invernadero; evita que las radiaciones que entran en la Tierra vuelvan a salir y por lo tanto eleva la temperatura del planeta provocando el llamado cambio climático. La mayor parte de países desarrollados han firmado acuerdos por los que se comprometen a minimizar las emisiones de dióxido de carbono, de las que las centrales térmicas que funcionan con carbón son responsables en parte. 319 UNIDAD FUENTES DE ENERGÍA 12 Por otro lado, los carbones, especialmente los de peor calidad, tienen una gran cantidad de impurezas, especialmente óxidos de azufre y de nitrógeno que al reaccionar con el agua dan origen a la lluvia ácida, que contamina el suelo y el agua de ríos y lagos. Existen técnicas para minimizar el impacto ambiental y también el riesgo de la extracción de carbón; consisten en hacer las minas cada vez más automatizadas y seguras y alterar la composición del carbón para reducir su contenido en impurezas. Estas técnicas son, no obstante, costosas y esta es una de las principales razones del estancamiento o descenso de la producción de carbón. También se está trabajando activamente en técnicas para reducir el volumen de emisiones provocado por la quema de combustibles como el carbón. Una de las más prometedoras es la denominada “secuestro de carbono”, que consiste básicamente en almacenar bajo tierra los gases generados por las centrales de combustible, para evitar su emisión a la atmósfera. Actividades 1. ¿Cuál de los tipos de carbón crees que produce más lluvia ácida? ¿ Y cuál es más responsable del cambio climático? 2. ¿Qué usos se le dan al carbón, aparte de la producción de electricidad? 1.2. El petróleo Se trata de una mezcla de hidrocarburos, aunque también presenta, como el carbón, cierta cantidad de impurezas. A pesar de las oscilaciones en su precio, que favorecen la búsqueda y utilización de energías alternativas, sigue siendo la principal fuente de energía en España y en el mundo, de ahí el papel de primer orden que desempeña en la economía mundial. Usos Aunque a continuación estudiaremos con más detalle el empleo de los diversos productos derivados del petróleo, se pueden enumerar las siguientes utilidades: Su uso más importante es como carburante en los motores de explosión de los vehículos. Aunque estén en auge alternativas como los vehículos eléctricos y los biocombustibles, los derivados del petróleo impulsan a la mayoría de automóviles, camiones, aviones, barcos y trenes del planeta. Se emplea también como combustible en las calderas, cocinas domésticas y en un buen número de máquinas, aunque vaya en aumento su progresivo reemplazo por aparatos eléctricos. Como vimos en la Unidad 5, los materiales plásticos y los textiles sintéticos tienen su origen en la industria petroquímica. Esto significa que una amplísima variedad de productos de uso cotidiano derivan de forma indirecta del petróleo. Algunos de sus derivados se emplean en la construcción de carreteras y autopistas. Algunas centrales térmicas funcionan quemando derivados del petróleo, aunque en España el carbón sigue siendo el combustible fósil dominante para esa función. 320  Extracción y transporte Los yacimientos de petróleo no forman lagos, sino que el crudo se encuentra siempre próximo a las rocas, de ahí el nombre de petróleo, aceite de piedra. Para extraerlo se emplea una potente broca capaz de perforar la piedra; antiguamente se perforaba por percusión, con movimientos hacia arriba y abajo de la herramienta, pero como quiera que la mayor parte de yacimientos en la actualidad se encuentran a mucha profundidad, normalmente a varios kilómetros bajo el nivel del suelo, es más efectivo emplear un movimiento de rotación para penetrar en la piedra. Esquema de un yacimiento petrolífero. (A. Escobar) El aumento del coste del barril de crudo ha propiciado en las últimas décadas la proliferación de plataformas petrolíferas lejos de la costa que lo extraen de los fondos marinos, también a una profundidad considerable. Cuando se alcanza el yacimiento, el petróleo suele subir de forma natural debido a tres causas: El empuje del gas que lo acompaña, que se encuentra a una elevada presión. El empuje del agua que suele encontrarse bajo el crudo. El empuje del gas que se encuentra disuelto en el propio petróleo. Cuando ya se ha extraído parte del yacimiento, llega un momento en que el agua y los gases ya no son suficientes para que el petróleo pueda ascender de forma natural por los tubos hasta la superficie; si se pretende seguir explotando el pozo existen otras tres posibilidades para hacerlo subir de forma artificial: Bombearlo para suministrarle la presión que el agua o el gas ya no le proporcionan. Inyectar de forma artificial gas en el yacimiento. Inyectar agua. Estos métodos artificiales se llevarán a cabo hasta que ya no resulten rentables porque el coste de la extracción del crudo sea mayor que el beneficio; en ese momento se abandonará el pozo, incluso aunque sigan quedando dentro de él grandes cantidades de petróleo. 321 UNIDAD FUENTES DE ENERGÍA 12 Una vez extraído a la superficie, el crudo se almacena en depósitos próximos al punto de extracción, desde los que se envía hasta las refinerías, donde será tratado y transformado en productos derivados. Las refinerías están situadas muchas veces en países lejanos, a los que el petróleo llega mediante dos medios principales de transporte: Un sistema de oleoductos, que no sólo incluye las tuberías que conducen el petróleo, sino también el sistema de bombeo, las conexiones, instalaciones de limpieza, etc. El transporte por mar mediante grandes barcos petroleros. El oleoducto o el petrolero transportan el crudo hasta la refinería; desde ella los productos derivados del petróleo son conducidos hasta los puntos de consumo mediante camiones o trenes. Refino y derivados Se llama refino al conjunto de tratamientos a los que se somete el crudo para obtener a partir de él los diferentes productos derivados. El lugar donde se llevan a cabo dichos tratamientos es la refinería. La parte fundamental del refino es la destilación fraccionada del petróleo. Consiste en calentar el crudo, que recordemos que es una mezcla de muy diversos hidrocarburos, hasta una cierta temperatura e introducirlo caliente por la base de una torre de destilación, en la cual los componentes más volátiles se evaporarán por su parte superior, mientras que los componentes más pesados se acumulan en la parte inferior. Esquema de una torre de destilación. (J. A. Escobar) Estos son los principales productos de la torre de destilación, ordenados de más a menos ligero: Hidrocarburos ligeros, conocidos como GLP o gases licuados del petróleo: principalmente metano (es decir, gas natural) propano y butano. Se emplean como combustibles. Nafta, que se emplea para la obtención de otros productos, como disolventes, compuestos orgánicos (el benceno y sus derivados) y gasolinas. Gasolina, que como es bien sabido, se emplea como carburante. 322  Queroseno, combustible habitual en aviación. Gasóleo, combustible habitual en automoción y maquinaria. Fuel, fuelóleo o fueloil, combustible empleado en centrales térmicas y calefacciones domésticas. Aceites lubricantes. Asfalto, empleado en la construcción de carreteras y autopistas. Alquitrán, que se emplea como combustible y también como componente de plásticos y otros productos. Los materiales sintéticos, así como muchos compuestos químicos derivados del petróleo, no se obtienen directamente en la destilación fraccionada, sino que es necesario un proceso posterior llamado pirólisis o craqueo (cracking), en el que se rompen las moléculas del compuesto original para lograr su transformación química. La última transformación que sufrirán los derivados del petróleo será un tratamiento posterior de eliminación de impurezas, principalmente azufre, para que los productos definitivos se adapten a las normativas y exigencias de seguridad del mercado y de la Administración. Impacto ambiental Los problemas medioambientales que genera el uso del petróleo son muy similares a los del carbón: Su combustión genera dióxido de carbono, el principal responsable del efecto invernadero o cambio climático. Posee impurezas como el azufre y el nitrógeno que pueden dar origen a lluvia ácida. Además de estos problemas, comunes a otros combustibles fósiles, está el de los derrames y vertidos, tanto accidentales como intencionados, por parte de las refinerías o de los petroleros, que son una de las principales causas de contaminación de los mares. La investigación en energías y en combustibles alternativos es la mejor solución a largo plazo para estos problemas, puesto que además el petróleo es un recurso natural no renovable que no siempre se encontrará disponible. No obstante, también se pueden tomar medidas para paliar algunos de estos problemas medioambientales, especialmente los vertidos: Los nuevos petroleros de doble casco son mucho más seguros que los antiguos, puesto que, en caso de pérdida o fuga, el petróleo puede ser bombeado desde el espacio que existe entre ambos cascos. Los petroleros deben ser controlados debidamente en los puertos y su circulación prohibida si representa un riesgo para el medio ambiente. Los vertidos (líquidos), residuos (sólidos) y emisiones (gaseosas) de las industrias deben ser medidos, controlados y tratados adecuadamente para que resulten lo más inocuos posible. Actividades 3. ¿Por qué crees que algunas veces se abandona un pozo petrolífero cuando todavía quedan en él reservas de crudo? 4. Clasifica los productos de la destilación del petróleo en combustibles y no combustibles. 323 UNIDAD FUENTES DE ENERGÍA 12 1.3. El gas natural Químicamente, el gas natural es una mezcla de gases en la que los hidrocarburos, y muy especialmente el metano, son los componentes mayoritarios. El metano (CH4) suele constituir entre el 70 y el 90 % del gas natural, siendo el resto de los componentes etano, dióxido de carbono, nitrógeno y otros gases en menor proporción. Se puede obtener a partir del petróleo o de forma independiente. Frente al estancamiento o retroceso relativo de los otros combustibles fósiles, el consumo de gas natural en el mundo ha aumentado a gran velocidad durante las últimas décadas. En España ha pasado de representar un 2 % del consumo de energía primaria en 1985 a un 24 % en 2008, según datos del Ministerio de Industria, Turismo y Comercio. Y en ese mismo año 2008 su consumo había aumentado más de un 10 % con respecto al año anterior. Mientras el carbón fue el combustible fósil dominante a comienzos de la revolución industrial para luego cederle el protagonismo al petróleo durante los siglos XIX y XX, el gas natural parece estar llamado a convertirse en el combustible fósil estrella del siglo XXI. Usos El gas natural se está convirtiendo en una alternativa cada vez más frecuente a otros combustibles fósiles en los siguientes campos: En el uso doméstico ha reemplazado a otros gases como el butano en cocinas, agua caliente y calefacción, aunque sufre también la competencia de los equipos eléctricos. En el ámbito industrial, se emplea como combustible en máquinas, motores y hornos para la metalurgia, los tratamientos térmicos, etc. Debido a la menor contaminación que producen, está aumentando el uso de vehículos que se mueven con gas natural. En España, su uso es por ahora habitual solamente en los camiones de recogida de basuras y en los autobuses urbanos de las grandes ciudades. Se emplea también en la obtención de electricidad. De hecho es el combustible más habitual en las centrales térmicas de ciclo combinado y en las de cogeneración, que veremos más adelante. Extracción y transporte El gas natural se obtiene a partir de tres posibles fuentes: En yacimientos propios. En yacimientos de petróleo, de los que se extrae conjuntamente con éste. En la refinería, como producto de la destilación del petróleo, del que constituye el derivado más ligero. El trabajo en un pozo de gas natural para extraer el combustible es muy similar al realizado en un pozo petrolífero. Normalmente el gas sube hasta la superficie por su propia presión, pero a veces es necesario bombearlo, como ocurría con el petróleo. El gas natural necesita ser tratado para aumentar su contenido en metano y separar componentes poco útiles o perjudiciales que reducirían el poder calorífico del gas. Este tratamiento consiste a grandes rasgos en los siguientes pasos: Separar la fase líquida de la fase gaseosa, es decir, separar el gas natural del petróleo. Deshidratar el gas natural, es decir, eliminar el agua que lleva disuelta. 324  Dulcificar el gas, es decir, separar del metano otros gases que disminuyen el rendimiento del combustible y que además son contaminantes o causantes de cambio climático, como el dióxido de azufre o el dióxido de carbono. Generalmente el tratamiento se realiza cerca del punto de extracción y es previo a su transporte a través de largas distancias, que se lleva a cabo mediante los mismos medios que en el caso del petróleo como son: El empleo de tuberías, llamadas en este caso gasoductos. La utilización de grandes barcos. En este caso es necesario, por razones económicas, reducir el volumen del gas, para lo cual existen dos métodos: aumentar su presión, o bajar su temperatura. Dado el riesgo que supondría transportarlo a alta presión, lo habitual es bajar su temperatura y licuarlo, es decir, transformarlo a estado líquido. Impacto ambiental Una de las principales razones para el aumento del uso del gas natural es su bajo impacto ambiental en comparación con otros combustibles fósiles debido a dos motivos: Posee un contenido en azufre, nitrógeno y demás compuestos contaminantes y generadores de lluvia ácida inferior al carbono y al petróleo, ya que son más fáciles de separar y aislar en el caso del gas natural. Genera menos dióxido de carbono que los otros combustibles fósiles debido a que contiene más hidrógeno y por tanto su combustión genera más vapor de agua y menos CO2. A pesar de la relativa “limpieza” del gas natural, conviene recordar que supone igualmente el gasto de un recurso natural limitado y que, aunque menos que otros combustibles fósiles, contribuye al cambio climático puesto que su combustión genera dióxido de carbono y, además, el propio metano también es un gas de efecto invernadero. Actividades 5. ¿Qué quiere decir dulcificar el gas natural? 6. ¿Cuáles son las razones del aumento del consumo del gas natural en relación con otros combustibles fósiles? 1.4. Ciclo combinado La central térmica de ciclo combinado se basa en la generación simultánea de electricidad mediante dos procedimientos diferentes. Uno es el método que ya hemos estudiado: el calor que produce el combustible al quemarse se emplea para calentar vapor y mover una turbina. El ciclo combinado consiste en aprovechar, además, la energía de los gases resultantes de la combustión para mover una turbina de gas; de esta forma la eficiencia energética es mucho mayor, puesto que en una central convencional el calor de los gases de combustión se cede al ambiente a través de la chimenea (y por tanto se pierde), mientras que la utilización exclusiva de una turbina de gas que funcionase con los productos de la combustión tendría un rendimiento muy bajo. 325 UNIDAD FUENTES DE ENERGÍA 12 El combustible habitual de estas centrales es el gas natural, puesto que permite mayor rendimiento. Pero también pueden funcionar con gasóleo, o, más raramente, con carbón gasificado. Caldera / Intercambiador de calor Esquema de una central de ciclo combinado. (Wikimedia Commons. Dominio público) 1.5. Cogeneración Otra forma de optimizar la transformación de energía en una central térmica es mediante la cogeneración, que consiste en generar al mismo tiempo electricidad y energía térmica. En una central térmica convencional se genera igualmente calor, pero no se considera una energía útil. Empleando el calor del vapor que sale de la turbina se consigue incrementar el rendimiento de la central de forma notable y además evitar el problema de la cesión excesiva de calor a una fuente natural de agua, que como señalamos en la Unidad anterior, nos obliga a diseñar una torre de refrigeración. Existen dos formas diferentes de plantear la cogeneración: Una central eléctrica, cuyo objetivo principal es la obtención de electricidad, puede aprovechar el calor residual para calefacción, producción de agua caliente u otros usos. Una empresa, o incluso un particular, cuyo objetivo es la obtención de energía térmica para su proceso productivo o su uso doméstico, puede aprovechar la energía sobrante para mover una turbina y generar electricidad. La Administración favorece esta práctica obligando a las compañías eléctricas a comprar la electricidad producida mediante cogeneración a un precio interesante para el productor. Los sistemas de cogeneración funcionan casi siempre con gas natural o con biomasa. El esquema más sencillo de cogeneración consiste en emplear el calor del vapor que sale de la turbina en una central eléctrica convencional para un uso útil en vez de disiparlo en un condensador, pero en los últimos años se emplea cada vez menos la cogeneración mediante turbina de vapor y cada vez más mediante turbina de gas. 326  La forma más frecuente de cogeneración, por tanto, consiste en emplear el calor de la combustión del gas natural para mover una turbina de gas y generar electricidad; la energía del gas que sale de la turbina se aprovecha para calentar agua y transformarla en vapor, el cual se podrá emplear a su vez para calefacción o para otros usos. En este esquema se puede optimizar todavía más el proceso si el vapor mueve a una segunda turbina, en este caso una turbina de vapor. De esta forma tenemos un ciclo combinado con cogeneración. (J. A. Escobar) Actividades 7. ¿Cuál es a grandes rasgos la diferencia entre ciclo combinado y cogeneración? ¿Son compatibles ambos? 8. ¿Crees que el ciclo combinado y la cogeneración reducen o aumentan el impacto ambiental del uso de combustibles fósiles? Justifica la respuesta. 327 UNIDAD FUENTES DE ENERGÍA 12 2. Energía nuclear El fundamento de esta energía es la destrucción de materia que se produce en el interior de los átomos cuando un elemento químico se transforma en otro diferente mediante uno de estos dos procesos: Un núcleo atómico de gran tamaño (con un gran número de protones) se divide en dos núcleos más pequeños. A esta ruptura del núcleo se le llama fisión nuclear. A→B+C Dos núcleos atómicos de pequeño tamaño se unen para formar un núcleo más grande (con mayor número de protones). A esta unión se le llama fusión nuclear. A+B→C En estas reacciones nucleares no se cumple la ley de conservación de la masa. Una pequeña cantidad de masa desaparece transformándose en energía mediante la ecuación de Einstein, lo cual convierte a estas reacciones en extraordinariamente exotérmicas. Fusión nuclear La fusión nuclear es la reacción que se produce en el interior del Sol y de las demás estrellas y lo que las convierte en fuentes de radiaciones energéticas. La reacción habitual es la unión de dos núcleos de hidrógeno, que es el átomo más pequeño y más sencillo, para producir un núcleo de helio, además de un neutrón al que se llama libre o liberado por haber quedado fuera del núcleo atómico. En los últimos años se investiga la posibilidad de lograr reacciones de fusión nuclear controladas; esta podría ser una fuente de energía limpia y sin los problemas de generación de residuos radiactivos que, como vamos a ver, plantea la fisión. El problema con el que se enfrentan por ahora los científicos y técnicos es la gran cantidad de energía necesaria para producir esta reacción y, sobre todo, las elevadísimas temperaturas (del orden de los millones de grados) que se producen en el proceso, que obligan a confinar el material de fusión en contenedores especialmente diseñados para mantenerlo fuera del contacto con las paredes. Reacción de fusión nuclear; los globos rojos representan protones y los grises neutrones. (Wikimedia Commons. Dominio público) 328  Fisión nuclear Mientras se investiga en la fusión nuclear, la realidad es que todas las centrales nucleares son de fisión en la actualidad, y generalmente utilizan como combustibles átomos de uranio y de plutonio, que se extraen de minas. Se suele emplear el término combustible nuclear para designar a la fuente de energía de las centrales nucleares, aunque este nombre no sea del todo correcto, puesto que ni la fisión ni la fusión nucleares son reacciones de combustión. La imagen que viene a continuación representa el esquema de una fisión nuclear, poniendo como ejemplo un isótopo del uranio, U235. Cuando se hace chocar un neutrón libre con el núcleo, el neutrón se añade a éste formándose un nuevo isótopo, U236. Este nuevo isótopo es inestable y tiende a romperse dando origen a dos nuevos núcleos más pequeños. Además de liberar una gran cantidad de energía, lo más interesante de esta reacción es que de ella resultan nuevos neutrones liberados que pueden chocar a su vez con otros núcleos, dando origen a una nueva fisión. A esta reacción capaz de reproducirse a sí misma se la llama reacción en cadena. Fisión de un átomo de uranio. (Wikimedia Commons. Para que se produzca la reacción en cadena es necesario que los Dominio público) neutrones choquen contra el núcleo a una determinada velocidad, más bien pequeña. Esto se consigue mediante el uso de moderadores, que reducen la velocidad de los neutrones, y que suelen ser agua o grafito. Usos Los principales usos de la energía derivada de la fisión nuclear son los siguientes: Uso militar para la obtención de armas nucleares. Dicho armamento es una fuente habitual de tensiones sociopolíticas y la opinión pública es cada vez más favorable a su reducción o eliminación. La propulsión de buques y grandes barcos. La obtención de electricidad en centrales termonucleares. Éste es sin duda el principal uso de la energía nuclear en la sociedad civil y de él hablaremos a continuación. La central nuclear El esquema de una central nuclear es esencialmente el de una central térmica en el que la fuente de calor es el reactor nuclear. El reactor está fuertemente blindado con hormigón o con plomo para absorber las radiaciones emitidas en la fisión. El combustible se introduce generalmente en barras en un tanque lleno del elemento moderador, que cumple también una función refrigerante; existen además elementos de control capaces de absorber los neutrones y parar la reacción en cadena si fuera necesario. 329 UNIDAD FUENTES DE ENERGÍA 12 Central nuclear en la que se puede ver destacado el reactor. (Wikimedia Commons. Dominio público) Naturalmente en el reactor se introduce también el agua que se quiere calentar, puesto que ese es el objetivo de la reacción en cadena. En función del sistema de generación de vapor se suelen distinguir dos tipos principales de reactores y de centrales nucleares: Reactor o central de agua a presión. El agua que pasa por el reactor está sometida a alta presión, por lo que no se puede transformar en vapor. Se lleva a un intercambiador de calor donde cede su energía a otro circuito cerrado de agua, que es donde se genera el vapor que moverá la turbina. Reactor o central de agua en ebullición. El agua hierve al pasar por el reactor y el vapor que se genera mueve directamente la turbina. Por lo tanto, no hay intercambiador de calor y existe un solo circuito cerrado de agua / vapor. Esquemas de una central nuclear de agua a presión y de agua en ebullición. (J. A. Escobar) 330  En cuanto al enfriamiento del vapor, generalmente se lleva a cabo mediante torres de refrigeración, pero existen algunas centrales, como la española de Almaraz, en la que el vapor se refrigera directamente con agua de un embalse. Para evitar que el salto térmico sea grande, el agua realiza un largo recorrido de unos 25 km para poder bajar su temperatura antes de volver a su origen. Impacto ambiental Los partidarios de la energía nuclear la definen como una energía limpia. Es cierto que las centrales nucleares no son responsables del cambio climático ni de la lluvia ácida; no generan CO2 directamente (aunque sí en su proceso de construcción y en la extracción y procesamiento del combustible radiactivo) y tampoco tienen chimeneas que emitan óxidos de azufre ni de nitrógeno. No obstante, la presencia de centrales nucleares es un riesgo para el medio ambiente por dos razones: La reacción en cadena genera isótopos radiactivos que emiten radiaciones muy peligrosas; además, una reacción en cadena descontrolada podría dar origen a una explosión nuclear. Por ello es necesario extremar las medidas de seguridad en el reactor. Los residuos generados por la fisión nuclear pueden emitir radiación durante muy largos periodos de tiempo (siglos). Por ello deben enterrarse a una profundidad tanto mayor cuanto más largo sea el tiempo que tardan en volverse inocuos. Lo dilatado del tiempo que tardan en desaparecer sus efectos es el gran inconveniente de la energía nuclear; esto llevó a la Administración española a establecer una llamada moratoria nuclear y paralizar su expansión durante los años 80 del siglo pasado. Estos proyectos de creación de nuevas centrales nucleares nunca han sido recuperados y, de hecho, en la actualidad se estudia el posible cierre paulatino de las existentes en nuestro país. Actividades 9. ¿Qué función cumple el agua en el que se sumergen las barras de combustible nuclear? ¿Qué otro elemento puede reemplazar al agua en esa función? 10. ¿Cuáles son los dos principales elementos químicos empleados en la fisión nuclear? ¿Se trata de fuentes de energía renovables o no renovables? 11. La energía nuclear, ¿es más o menos contaminante que la originada por combustibles fósiles? Razona la respuesta. 12. ¿Qué es un reactor de agua a presión? 331 UNIDAD FUENTES DE ENERGÍA 12 3. Energías renovables Las fuentes de energía que hemos estudiado hasta ahora, el carbón, el petróleo, el gas natural, el uranio y el plutonio, son recursos naturales que han tardado un tiempo muy largo (millones de años) en formarse y cuyos yacimientos pueden llegar a verse agotados si su explotación continúa al ritmo actual. Existen otras fuentes de energía que dependen de recursos que se consideran ilimitados, como el agua, el viento o el calor del interior de la Tierra; son las energías renovables. Ventajas e inconvenientes Las grandes ventajas de estas energías son evidentes: No gastan recursos que no pueden ser reemplazados. Permiten el autoabastecimiento de energía a países como España que no disponen de combustibles fósiles. Permiten obtener energía con un impacto sobre el medio ambiente mucho más reducido. Su inconveniente más significativo suele ser su elevado coste, como veremos con más detalle al estudiar cada una de ellas, pero también la extracción de combustibles fósiles y la producción de energía nuclear tienen un elevado coste que se rentabiliza debido a su producción a gran escala. Y lo mismo podría ocurrir con las energías no renovables. Energías no renovables y energías alternativas La otra clasificación habitual de las fuentes de energía es entre convencionales y alternativas, pero la distinción no está tan clara como entre las renovables y las no renovables. Calificar a una energía de convencional quiere decir o bien que lleva empleándose mucho tiempo o bien que su uso es muy habitual y está sobradamente desarrollado, mientras que la energía alternativa sería la que se emplea desde hace poco tiempo, con un uso todavía minoritario o en fase experimental y que se desarrolla con la intención explícita de reemplazar a las energías de uso más frecuente. En el sentido estricto del término, resulta dudoso llamar energía convencional al gas natural, cuyo uso no ha alcanzado grandes proporciones hasta las últimas décadas, o a la energía nuclear, que se desarrolló con la idea de acabar con los problemas medioambientales y de dependencia energética de terceros derivados del uso del petróleo y el carbón; tampoco sería del todo correcto calificar de energía alternativa a la eólica, puesto que ya representa un porcentaje importante de la producción de electricidad en algunos países, entre ellos el nuestro. No obstante, en la práctica se tiende a asimilar energía alternativa con renovable, puesto que se considera que un recurso no renovable nunca va a ser una alternativa a largo plazo. La única excepción es la energía hidráulica, que es renovable pero cuyo uso para producir electricidad es muy antiguo y, por tanto, se la incluye entre las energías convencionales. El resto de energías alternativas (eólica, biomasa, solar, geotérmica) coinciden con las renovables. Por último, conviene tener en cuenta que cuando hablamos de energía alternativa nos estamos refiriendo a energía empleada para la producción de electricidad. La energía del viento, del agua o de la biomasa se ha aprovechado durante muchos siglos, pero su uso para propulsar generadores eléctricos es muy reciente, lo cual las convierte en energías alternativas. 332 3.1. Energía hidráulica La energía potencial acumulada por el agua de los ríos se utiliza para producir electricidad desde finales del siglo XIX y constituye la energía renovable más empleada en el mundo, siendo en países como Canadá y Noruega la principal fuente de energía empleada, por encima de las no renovables. Su principio de funcionamiento es muy simple: el agua al caer en una cascada natural o artificial transforma su energía potencial en cinética; su movimiento se puede aprovechar para mover una turbina de agua, la cual generará electricidad si su eje se une con el de un alternador. Tipos Existen varias clases de centrales hidroeléctricas: Las centrales de pasada o de caudal fluyente, que son aquellas en las que la caída del agua es natural y no existe reserva ni acumulación de agua. Para que sean rentables, el caudal del río en esa zona debe ser abundante y uniforme. Generalmente se construyen desviando parte del agua del río para hacerla pasar por la sala de turbinas y luego devolviéndola a su cauce. Las centrales de reserva, que se basan en la construcción de una presa para retener el agua almacenada en un embalse o pantano artificial. La compuerta de la presa se abre más o menos en función de la cantidad de electricidad que se desea generar; la gran ventaja de estas centrales, por ello, es que la energía que producen puede ser regulada. Las centrales de bombeo constan de dos embalses situados a diferente nivel. Cuando la demanda de energía es alta, el agua cae desde el embalse superior, pasa por la turbina generando electricidad y se acumula en el inferior. Cuando la demanda es baja, el agua es bombeada de vuelta al embalse superior para que pueda volver a repetir el proceso. Estas centrales son las que mejor se adaptan a las oscilaciones de la demanda energética y del caudal del río. Central hidroeléctrica de reserva. (ITE. Banco de imágenes) 333 UNIDAD FUENTES DE ENERGÍA 12 Impacto ambiental e inconvenientes Es erróneo pensar que las energías renovables carecen de impacto ambiental. La energía hidráulica tiene también sus inconvenientes medioambientales: La actividad biológica del río se ve alterada por el desvío de su cauce o bien por la construcción de la presa. La evaporación de agua producida en el embalse aumenta la humedad relativa del aire en la zona, con la consiguiente alteración del ecosistema. Naturalmente, el impacto ambiental y la creación de un microclima específico aumentarán en proporción al tamaño de las presas y a la potencia de las centrales. El otro inconveniente de la energía hidráulica, común a otras energías alternativas, es que su crecimiento está limitado por las condiciones naturales. En países como España, buena parte del potencial hidroeléctrico está ya explotado, y este tipo de energía sólo puede aumentar su producción mediante la puesta en marcha de las llamadas minicentrales hidroeléctricas, de potencia inferior a 1 MW, para consumo local. Estas minicentrales son además una buena forma de evitar el impacto medioambiental de las grandes presas. Otras formas de energía hidroeléctrica La energía hidráulica tradicional emplea el agua de los ríos, pero en las últimas décadas se estudian las posibilidades del mar para la producción de energía hidroeléctrica: Las centrales mareomotrices se emplean en zonas donde la diferencia del nivel de agua producida por las mareas es considerable, lo cual permite generar electricidad mediante alternadores sumergidos impulsados por el flujo y reflujo de las aguas al subir y bajar la marea. Su proliferación es hasta el momento escasa debido a su alto impacto ambiental. La energía de las olas es otra posible forma de obtener electricidad a partir del movimiento del agua del mar. Consiste en aprovechar las oscilaciones de altura que las olas inducen en unas boyas especiales para generar electricidad, convirtiendo el movimiento lineal de subida y bajada en un movimiento circular que acciona el eje de un alternador. En España existen dos centrales piloto que experimentan con esta forma de energía. La energía de las corrientes submarinas puede aprovecharse en determinados lugares para generar electricidad mediante turbinas eléctricas, con una forma de funcionamiento similar a la de los aerogeneradores, pero debajo del agua. Actividades 13. ¿En qué tipo(s) de centrales hidroeléctricas existen presas? ¿En cuál(es) no? 14. ¿Qué tipos de centrales hidroeléctricas crees que generan más impacto ambiental? Justifica la respuesta. 334 3.2. Biomasa La biomasa es el nombre que se les da a las sustancias y residuos orgánicos de origen animal o vegetal considerados como fuente de energía. La separación de los residuos no sólo tiene como objeto reciclar el plástico, el metal o el papel, sino también aislar la materia orgánica, la cual, una vez separada de los restos inorgánicos, es aprovechable para varios usos. Pero la biomasa no sólo se obtiene de la basura, sino que proviene de distintas fuentes. Tipos La biomasa se clasifica en los siguientes grupos en función de su origen: Biomasa natural, que se genera sin ningún tipo de intervención humana, como el estiércol o la caída de las hojas de los árboles en otoño. Biomasa residual, que son los desperdicios de origen orgánico resultantes del consumo doméstico, de la ganadería, de la actividad forestal o de industrias como la maderera o la alimentaria. En este apartado se puede distinguir entre residuos secos y húmedos (aguas residuales). Cultivos que se llevan a cabo con la intención principal de utilizarlos como fuente de energía. Algunos son de sustancias que se cultivan desde hace tiempo para su consumo y otros son de plantas que no se cultivaban y se ha empezado a hacerlo al descubrir su potencial energético. Un ejemplo interesante es el cultivo de algas microscópicas para generar biocombustibles, un campo en el que se está trabajando intensamente en los últimos años. El serrín es un ejemplo de biomasa residual. (ITE. Banco de imágenes) Usos Existen diferentes formas de aprovechar la energía de la biomasa: Puede emplearse para la producción de electricidad en una central térmica de biomasa, cuya única diferencia con una central térmica convencional es el tipo de combustible empleado. También puede servir de combustible para la producción de calor en las calefacciones domésticas o en calderas y hornos industriales. 335 UNIDAD FUENTES DE ENERGÍA 12 Otro posible uso es la producción de biocombustibles, como el etanol y el biodiesel, que pueden servir para los mismos usos que los combustibles fósiles. El término biocombustible se suele reservar para los combustibles líquidos, mientras que los gaseosos reciben el nombre genérico de biogás. Por último, la materia orgánica puede acumularse y, después de descomponerse, originar el compost (o humus artificial) que puede reutilizarse como abono. Esta práctica, llamada compostaje, no genera energía en sentido estricto, pero sí permite un ahorro de la energía y de aquellos otros recursos necesarios para producir los abonos químicos. Ventajas e inconvenientes Podría parecer que la quema de biomasa generaría emisiones de CO2, puesto que se trata de una reacción de combustión. Así es, pero dicha combustión es solamente la aceleración de un proceso natural que se va a producir de todas formas, aunque de manera más lenta; por ello, salvo en el caso de los cultivos creados a propósito con este objetivo, la quema de biomasa no supone ningún aporte extra de dióxido de carbono a la atmósfera, lo cual representa una gran ventaja frente a los combustibles fósiles. Aclarado este aspecto, podemos enumerar los pros y los contras de la biomasa: Ventajas: Como hemos explicado, en general no supone directamente emisiones adicionales de CO2 (aunque los procesos asociados a su tratamiento sí pueden generarlo). A diferencia del carbón o del petróleo y sus derivados, apenas contiene impurezas causantes de contaminación y lluvia ácida. Puede revitalizar el sector agrícola, al dar la posibilidad de reemplazar cultivos excedentes en el mercado alimentario por cultivos destinados a la producción de energía (aunque esta ventaja puede convertirse también en inconveniente, como se indica a continuación). Inconvenientes: La aplicación de los cultivos para la fabricación de biocombustibles puede resultar más rentable que su utilización alimentaria, lo que puede traducirse en graves problemas de escasez y encarecimiento de los alimentos para la población de determinados países. Algunos cultivos para biocombustibles consumen enormes cantidades de agua y requieren combustibles fósiles para la maquinaria agrícola necesaria. El poder calorífico de determinados tipos de biomasa es inferior al de los combustibles fósiles, lo que obliga a trabajar con grandes volúmenes, y por tanto dificulta y encarece su transporte y almacenamiento. El coste de producción de cada unidad de energía es más alto que en los combustibles fósiles. Su producción a la escala necesaria para reemplazar al petróleo requeriría la ocupación de enormes extensiones de terreno para su cultivo. Actividades 15. Desde muy antiguo el ser humano ha quemado los rastrojos y la maleza para calentarse y ha empleado el estiércol para abono. ¿Por qué se le llama entonces a la biomasa energía alternativa? 16. ¿Qué es el biogás y para qué se emplea? 17. ¿Es lo mismo biomasa que residuos sólidos urbanos? Explica la diferencia. 336 3.3. Energía eólica Se basa en un principio muy simple: la velocidad del viento mueve unas palas que hacen la función de una turbina; su eje está enganchado al alternador que proporcionará la electricidad. A veces se emplea un sistema de engranajes para aumentar la velocidad del alternador o equipararla a la frecuencia de la red eléctrica. Los órganos móviles que transmiten su movimiento al eje en un generador eléctrico reemplazando a la turbina reciben el nombre de rotor; la carcasa en la que se asienta el generador está apoyada en una torre que se eleva a una gran altura para que reciba el viento a mayor velocidad. Toda la máquina en su conjunto, incluyendo la torre, se llama aerogenerador, aunque se conoce con el nombre popular de molino de viento. Generalmente, para rentabilizar la instalación se colocan varios aerogeneradores juntos configurando lo que se conoce por parque eólico. Existen aerogeneradores de eje vertical, en los que la carcasa del alternador y el eje de giro están colocados en esa dirección, pero son más frecuentes los de eje horizontal. Aerogenerador y detalle del mecanismo de transmisión y del alternador que contiene. (ITE. Banco de imágenes) Regulación El aerogenerador empieza a producir electricidad a partir de un cierto valor de la velocidad del viento, generalmente en torno a 10 km / h. La cantidad de electricidad producida aumenta con la velocidad, hasta un cierto valor que no se debe rebasar para no poner en peligro la estabilidad del rotor, lo cual ocurre sobre los 90 km / h. Una vez rebasado dicho valor de corte, un sistema de control cambiará la orientación de las palas, de manera que ya no se expongan a la fuerza del viento y cesen de girar. Ventajas e inconvenientes Los detractores de la construcción de parques eólicos denuncian una serie de inconvenientes de esta forma de energía: 337 UNIDAD FUENTES DE ENERGÍA 12 La explotación de zonas de alto valor paisajístico. El ruido generado por las palas y la muerte de aves por impacto con éstas. Por otra parte, la instalación del parque eólico es costosa, por el gran tamaño de los aerogeneradores y porque éstos suelen situarse en zonas alejadas que obligan a realizar una inversión extra para el transporte de la energía producida. Y la mayor desventaja es que se trata de una energía intermitente que oscila con la fuerza del viento, por lo que es difícil que una instalación pueda depender exclusivamente de esta fuente si no dispone de otra energía no renovable que pueda suplir el aporte energético del viento cuando éste deja de soplar. No obstante, la necesidad de lograr energías de escaso impacto ambiental y de reducir las emisiones de CO2 hace viables los parques eólicos y aumenta su rentabilidad; de ahí su proliferación en los últimos tiempos. Actividades 18. A veces el viento sopla fuerte y sin embargo las aspas de los aerogeneradores de un parque eólico no se mueven. ¿A qué puede ser debido? 19. ¿Dónde se genera la energía eléctrica en un parque eólico? a) En la carcasa que existe a la altura de las palas del aerogenerador. b) En la base de la torre del aerogenerador. c) En una caseta comunicada con todos los aerogeneradores del parque. 3.4. Energía solar En realidad, la mayoría de las fuentes de energía tienen su origen indirectamente en el sol. Las plantas son capaces de transformar la luz y el calor que reciben a través de la radiación solar en energía química; los animales consiguen su energía ingiriendo la energía química de las plantas, o bien de otros animales que a su vez la han obtenido de las plantas; los seres vivos, por otra parte, son el origen tanto de los combustibles fósiles como de la biomasa, por lo que estas formas de energía derivan de forma indirecta del sol. En cuanto a las energías hidráulica y eólica, provienen respectivamente del ciclo del agua y del viento, dos consecuencias diferentes de las oscilaciones en las condiciones atmosféricas que produce la mayor o menor entrada de la luz solar en una u otra zona de nuestro planeta. No obstante, se reserva el nombre de energía solar a la utilización directa de la energía transportada por la radiación que nos llega del sol. Existen dos sistemas diferentes de aprovechar esta energía: Transformar la luz solar directamente en electricidad (energía solar fotovoltaica). Calentar agua mediante el calor del sol (energía solar térmica). El principal inconveniente de ambos sistemas es bastante evidente: la luz del sol no incide sobre ningún punto del planeta de forma constante ni se adapta a las necesidades energéticas de cada momento, por lo que su uso hasta ahora se ha limitado a servir como apoyo a las fuentes de energía convencionales. El otro punto débil de esta energía es el coste inicial que supone la instalación; no obstante, el coste económico y medioambiental de las energías no renovables reduce en buena medida este inconveniente y hace interesante cualquier forma de reducir su consumo. 338  Energía solar fotovoltaica Una célula solar o fotovoltaica es un dispositivo semiconductor de gran superficie (en realidad, está constituido por un gran número de estos dispositivos interconectados) capaz de generar una diferencia de potencial en sus extremos cuando se ve expuesto a la luz solar. La tensión eléctrica producida por una sola célula es muy baja, por lo que suele agruparse una gran cantidad de ellas en serie para que sus tensiones se sumen, constituyendo un panel solar. Los paneles solares son capaces de generar electricidad también en días nublados, aunque con menor rendimiento, ya que captan la luz que se filtra a través de las nubes. La corriente generada por estos dispositivos es continua y sirve para alimentar un pequeño circuito electrónico. Para poder darle otros usos, es necesario transformarla en corriente alterna, que es aquella para la cual los equipos eléctricos están diseñados. A fin de llevar a cabo esta transformación existen unos circuitos electrónicos llamados inversores de corriente. Una vez transformada, la corriente puede servir para el consumo privado, lo cual es muy útil en zonas alejadas de la red eléctrica, o bien puede ser transferida a la red pública. En este último caso, como ocurre con la cogeneración, la Administración también fomenta la energía solar obligando a las compañías eléctricas a comprar a los usuarios la electricidad producida de esta forma por un precio rentable, superior al precio normal de la electricidad. Conjunto de paneles solares. A la derecha, detalle de un panel.(www.publicdomainpictures.net) Energía solar térmica Se llama colectores solares a los paneles solares que no contienen células fotovoltaicas sino tuberías, generalmente de cobre. Por su interior circula un fluido que se calienta debido al calor del sol y al efecto invernadero producido por su cubierta transparente. Los colectores solares se emplean sobre todo para la producción de agua caliente, aunque también en sistemas de calefacción mediante radiadores o mediante suelo radiante, e incluso se emplea en refrigeración. En efecto, aunque parezca paradójico, el calor puede emplearse para generar frío; la manera de hacerlo consiste en utilizar un ciclo termodinámico especial en el que la energía térmica solar se aprovecha no para calentar, sino para facilitar la transferencia de calor entre el ambiente y un fluido que actúa como refrigerante. La energía solar térmica como forma de que las viviendas sean más autosuficientes energéticamente ha recibido en los últimos años un gran impulso en nuestro país, pues la Administración española hace obligatoria desde 2006 la instalación de colectores solares para la generación de agua caliente en todos los edificios de nueva construcción. El agua se calienta al pasar por los tubos del colector y se lleva a un acumulador, desde el que cederá el calor a las tuberías que parten hacia los puntos de consumo. 339 UNIDAD FUENTES DE ENERGÍA 12 Instalación doméstica de energía térmica solar. (J. A. Escobar) Otro posible uso directo de la energía solar es emplearla como fuente de calor para la producción de electricidad en una central térmica. Las dos tecnologías más utilizadas son la de torre, en la cual un gran número de espejos planos, denominados heliostatos, concentran la luz del sol en un solo punto situado en una torre de gran altura; y los colectores cilindroparabólicos, en los cuales una tubería discurre a lo largo de un espejo parabólico de grandes dimensiones que concentra la luz solar en el foco de la parábola. Ambos sistemas (de torre y colectores) consiguen un efecto parecido al de una lupa gigante que concentra la energía de los rayos del sol en un punto donde circula un fluido especial, cuya temperatura aumenta espectacularmente por efecto de la luz solar concentrada, lo que permite utilizarlo para transformar agua en vapor y activar un proceso de generación de electricidad mediante turbinas y alternadores similar al de las centrales térmicas convencionales. Central térmica solar. (J. A. Escobar) Actividades 20. Explica la diferencia entre panel fotovoltaico, colector solar y heliostato. 21. ¿Cuál de estas fuentes de energía genera corriente continua? a) Solar térmica. b) Solar fotovoltaica. c) Eólica. d) Hidráulica. 340 3.5. Energía geotérmica El magma, es decir, las rocas fundidas que existen bajo la corteza terrestre, convierte el interior del planeta en una inmensa fuente de energía que podemos considerar inagotable. No obstante, en la mayoría de los países su aprovechamiento es difícil porque las altas temperaturas se encuentran a mucha profundidad (el promedio suele situarse en un aumento de 1º por cada 30 metros que nos adentramos en el interior). Por lo tanto, para obtener un salto (o “gradiente”) térmico que nos permita obtener una gran cantidad de energía habría que perforar a tanta profundidad, que la energía obtenida no justificaría el coste de la instalación. No obstante, existen determinados puntos de la superficie del planeta en los cuales sí se puede encontrar un elevado gradiente térmico, una gran diferencia de temperatura, a poca profundidad del suelo, especialmente en los países de gran actividad volcánica. Se puede emplear este calor para calefacción y agua caliente de uso doméstico, pero la forma habitual de aprovechar esta energía a gran escala es construyendo una central térmica para producir electricidad. La única diferencia entre una central geotérmica y una central térmica convencional es que no existe caldera ni chimenea. El calor se produce en el interior de los tubos de agua al pasarlos por la fuente de calor del interior de la tierra. Como ocurría en la central solar, pueden existir dos circuitos de agua diferentes (en este caso, el del vapor de la turbina y el que penetra bajo el suelo) que se intercambian energía. Esquema de una central geotérmica. (ITE. Banco de imágenes) Las centrales geotérmicas presentan la ventaja de que no requieren de grandes instalaciones, apenas generan residuos y permiten a las áreas en que están situadas autoabastecerse de energía. Su inconveniente principal es que la energía geotérmica sólo es aprovechable en determinadas áreas. Por otra parte, en algunos casos pueden generar también un cierto impacto ambiental, debido a que algunas fuentes geotérmicas al ser perforadas pueden filtrar CO2 a la atmósfera y también pueden emitir ácido sulfhídrico (SH2), que es tóxico. No obstante, su repercursión sobre el ecosistema es mucho menor que la de una central térmica convencional. 341 UNIDAD FUENTES DE ENERGÍA 12 Una interesante aplicación de la energía geotérmica, de uso relativamente reciente, es la denominada “geotermia de baja entalpía”, que aprovecha el hecho de que, a partir de una determinada profundidad, la temperatura del subsuelo cercano tiene un valor virtualmente constante a lo largo de todo el año, que coincide aproximadamente con la temperatura media de la zona (por ejemplo, en España es de unos 15ºC). Por tanto, existe un diferencial térmico con respecto a la superficie, sobre todo en invierno y en verano, que puede aprovecharse para generar energía útil. En verano, esa diferencia puede emplearse para generar frío para climatización, y en invierno para obtener calor de calefacción. Se trata de una tecnología muy prometedora que, además, tiene la ventaja de estar disponible en todos los lugares del mundo. 3.6. Pilas de hidrógeno Las pilas y baterías son capaces de convertir directamente la energía química a energía eléctrica, sin llevar a cabo una transformación previa en energía térmica, que es el paso en el cual disminuye el rendimiento del proceso y se suelen generar emisiones de dióxido de carbono y de residuos tóxicos. Pero tienen el inconveniente de que se desgastan y necesitan ser recargadas para reponer la energía química que se ha transformado en electricidad. Las llamadas pilas de combustible o pilas de hidrógeno (el hidrógeno es el combustible habitualmente empleado), sin embargo, no necesitan ser recargadas porque toman la energía química de gases del exterior y no de sólidos que deban llevar en su interior como es el caso de las pilas convencionales. Basta, pues, con suministrarles combustible para que funcionen, al menos en teoría, de forma ininterrumpida. El proceso consiste en que el combustible (normalmente hidrógeno) se separa en protones y electrones mediante la acción de un catalizador. Al otro lado del hidrógeno circula el aire; entre ambos se sitúa una membrana eléctricamente aislada que permite el paso de los protones, pero no de los electrones. Estos últimos tendrán que atravesar un circuito externo, generando con ello electricidad. Luego reaccionarán con los protones y con el oxígeno para formar vapor de agua. Funcionamiento de una pila de hidrógeno. (Wikimedia Commons. Dominio público) 342  A diferencia de lo que ocurre con la energía nuclear, en este caso la denominación de combustible sí es correcta, puesto que el hidrógeno está reaccionando con el oxígeno, y por ello sufre una reacción de combustión, para formar agua. Por otra parte, las pilas de combustible generan un voltaje muy pequeño, por lo que, como sucede con las células fotovoltaicas, es necesario conectar varias en serie. Usos, ventajas e inconvenientes Las pilas de combustible resultan muy útiles allí donde no existe una red eléctrica disponible, como en naves espaciales, estaciones meteorológicas o lugares aislados. Se emplean también en vehículos eléctricos y en centrales convencionales como sistema de apoyo para la obtención de electricidad, reduciendo así el consumo de fuentes no renovables. Su utilización está creciendo en los últimos años. Por ahora, las considerables desventajas de esta energía son tanto el coste de la obtención del hidrógeno como del catalizador que permite su descomposición. Al tratarse, por lo demás, todavía de una tecnología experimental, algunos problemas en su uso no están del todo estudiados ni resueltos. Pero como ocurre con las otras energías alternativas, sus ventajas respecto al autoabastecimiento de energía, el ahorro de recursos no renovables y su reducido impacto ambiental pueden incentivar su mayor producción y disminuir sus costes. Actividades 22. ¿Crees que las pilas de combustible generan corriente continua o alterna? Justifica la respuesta. 23. Explica la diferencia entre una célula fotovoltaica y la pila de hidrógeno. Recuerda  La mayor parte de la energía que se consume en el mundo tiene su origen en los combustibles fósiles: carbón, petróleo y gas natural. Se trata de restos de materia vegetal y animal que han permanecido sepultados durante un período muy largo de tiempo.  El carbón se emplea principalmente como combustible en las centrales térmicas, la siderurgia y la industria cementera. El carbón de más pureza y calidad es la antracita, seguido de la hulla, el lignito y la turba. La extracción del carbón es difícil y requiere importantes medidas de seguridad. Se lleva a cabo en galerías subterráneas (aunque existen también grandes minas a cielo abierto) y se transporta a los puntos de consumo en barcos y trenes. El impacto ambiental del carbón es considerable; las impurezas presentes en él producen lluvia ácida y su combustión genera CO2, el principal responsable del cambio climático.  El petróleo es una mezcla de hidrocarburos que se emplea como combustible en centrales térmicas, los motores de los vehículos, las calderas y todo tipo de maquinaria. La mayoría de los materiales plásticos y los pavimentos de las carreteras son también derivados del petróleo. El crudo se extrae perforando las capas de piedra que están por encima del yacimiento. Al principio sube de forma natural por diferencia de presión, luego hay que forzar su subida inyectando gas, agua o mediante una bomba. 343 UNIDAD FUENTES DE ENERGÍA 12 Tras su extracción, el crudo debe ser tratado en una refinería para obtener los productos derivados del petróleo. Para ello se destila, es decir, se aumenta su temperatura para separar las sustancias más volátiles de las que lo son menos. Frutos de esa destilación son, de más a menos volátil, los gases licuados del petróleo, la nafta, la gasolina, el queroseno, el gasóleo, el fuel, los lubricantes, el asfalto y el alquitrán. Los materiales sintéticos se obtienen en la refinería mediante un procedimiento de modificación de la composición química del material llamado pirólisis o craqueo. El petróleo produce el mismo tipo de impacto ambiental que el carbón, al cual hay que sumar los vertidos procedentes de buques petroleros e industrias.  El gas natural es el combustible fósil de mayor crecimiento en los últimos años debido a su menor impacto ambiental por su menor presencia de impurezas y menor generación de CO2. Se emplea en la producción de electricidad y también está creciendo su uso como combustible en vehículos, hornos, máquinas y sistemas de calefacción. Se puede extraer de forma independiente o conjunta con el petróleo. Al igual que este último, se puede conducir mediante gasoductos, similares a los oleoductos petrolíferos, o empleando grandes barcos.  Las centrales de ciclo combinado producen electricidad mediante dos tipos de turbinas, de gas y de vapor. La diferencia con una central convencional es que el calor de los gases de combustión se aprovecha también para la obtención de electricidad, mejorando el rendimiento. Funcionan normalmente con gas natural.  Las centrales de cogeneración producen de forma simultánea electricidad y calor. El gas natural se quema, los productos de combustión mueven una turbina de gas y la energía sobrante se emplea para calentar agua y producir vapor. Otra forma de cogeneración es el proceso contrario, utilizar una caldera para producir vapor y aprovechar el calor sobrante de la combustión para mover una turbina de gas.  La energía nuclear se genera mediante la fisión de un átomo (generalmente de uranio, polonio, torio u otros elementos de elevado peso atómico) que se separa en dos, o mediante la fusión de dos átomos que se juntan en uno. La fisión es el proceso industrial, mientras que la fusión se encuentra en fase experimental. Un reactor nuclear debe contar con un moderador que baje la velocidad de los neutrones que impactan contra los átomos, condición necesaria para que llegue a producirse la fisión, la cual da origen a su vez a nuevos neutrones que generan nuevas fisiones en una reacción en cadena. Los reactores pueden ser de agua en ebullición, si existe un solo circuito de agua que se convierte en vapor en el reactor y luego se envía a la turbina, o de agua a presión. En estos últimos existen dos circuitos cerrados de agua: el primero pasa por el reactor y le cede el calor al segundo, en el que el agua sí se convierte en vapor que mueve la turbina. La energía nuclear no provoca lluvia ácida ni cambio climático, pero sí radiaciones que hacen necesario el aislamiento del reactor mediante paredes de plomo. Además algunos residuos de la reacción pueden provocar radiaciones durante muchos años, por lo que deben guardarse a gran profundidad.  Las energías renovables tienen un impacto ambiental mucho menor que el de las no renovables y pueden evitar la dependencia energética y económica respecto de otros países ricos en combustibles fósiles. 344  Todas las energías renovables menos la hidráulica reciben el nombre de alternativas porque su uso para la producción de electricidad es reciente y se ha desarrollado como alternativa a los combustibles fósiles y la energía nuclear.  La energía hidráulica se emplea para mover una turbina y generar electricidad cuando el agua de un río cae desde una cierta altura.  Existen tres tipos de centrales hidroeléctricas: las de pasada, en las que la caída del agua es natural, las de reserva, en las que se construye una presa para acumular el agua, y las de bombeo, en las que el agua se hace ascender mediante una bomba para que luego pueda volver a caer y generar electricidad.  Las presas tienen impacto ambiental porque originan cambios en el ecosistema. Sin embargo, permiten regular la cantidad de energía generada en una central hidroeléctrica.  La biomasa es el empleo de materia orgánica como fuente de energía. Se emplea como combustible para vehículos y máquinas (biocombustibles y biogás), para calefacción y alimentación de calderas y hornos, para la generación de electricidad o como abono tras ser transformada en compost. Existen tres tipos de biomasa: la natural, la que es producto de la actividad doméstica o industrial y las plantas que se cultivan con la intención expresa de que sirvan de fuente de energía.  Un parque eólico es un conjunto de aerogeneradores, máquinas cuyas palas son movidas por el viento y están unidas al eje de un alternador. Funcionan cuando la velocidad del viento alcanza un cierto valor y deben desconectarse cambiando su orientación cuando la velocidad rebasa un valor máximo que pueda poner en peligro su funcionamiento.  Existen dos formas de aprovechar la energía del sol para generar energía directamente utilizable: la energía fotovoltaica y la termosolar. Un panel solar está formado por células solares o fotovoltaicas que convierten directamente la luz del sol en electricidad, mientras que un colector solar lleva en su interior una serie de tubos por los que circula un fluido que se calienta por el calor del sol. La energía solar térmica, o termosolar, se puede emplear también para generar electricidad mediante un campo de heliostatos, que son un conjunto de espejos que concentran la luz del sol en un punto determinado o en una tubería de gran longitud, donde el calor generado sirve de fuente para una central térmica.  La energía geotérmica se puede utilizar de forma rentable en determinados lugares en los que existen fuentes de calor a poca profundidad bajo el suelo. Llevando tuberías hasta esa fuente de calor, se puede transformar agua en vapor y montar una central térmica que emplee el vapor para mover una turbina y generar electricidad. La energía geotérmica también puede aprovecharse en lugares sin grandes fuentes de calor subterráneo, ya que en todas partes la temperatura del subsuelo cercano permanece casi constante, por lo que gran parte del año existe un gradiente de temperatura con respecto a la superficie que puede utilizarse para generar energía útil.  Las pilas de combustible separan los protones de los electrones en los átomos de hidrógeno y hacen que estos últimos circulen por un circuito eléctrico generando electricidad. Su impacto medioambiental es pequeño porque el producto de su funcionamiento es vapor de agua. 345