Energías no renovables5Unidad

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5.1. Fuentes de energía

Consumo de energía primaria en España en el año 2001.

Fuentes de energía primarias

No renovables

Combustibles fósiles

Energía nuclear

Carbón

Petróleo y gases combustibles

Hidráulica

Renovables

Solar

Eólica

Biomasa

Maremotriz

De las olas

Residuos Urbanos (RSU)

Alte

rnat

ivas

A Fuentes de energía primarias

Las fuentes de energía se clasifican en: primarias (que son las que actualmente utiliza el hombre) y secundarias (que son las resultantes de la transformación de las primarias en otro tipo de energía).

Energías no renovables, son aquellas que nos proporciona la naturaleza, pero que, una vez consumidas, no hay forma de obtener de nuevo. Esto es, sus reservas son limitadas.En cambio, las energías renovables son aquellas que están disponibles sin peligro de que se agoten, pues la propia naturaleza, en condiciones normales, nos la seguirá proporcionando.El consumo de energía en España en el 2006 fue de 149,22 Mtep. (1Tep = 107 kcal)

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B Fuentes de energía secundarias

Consumo de energía secundaria en España en el año 2001.

Las energías secundarias o finales son aquellas resultantes de la transformación de las energías primarias en otro tipo de energía.Como por ejemplo, tenemos la gasolina, el gasóleo, el queroseno y otros derivados del petróleo; la electricidad, etc.El consumo de energía secundaria en el año 2006 fue de 113,64 Mtep.La electricidad se puede considerar más bien como un tipo de energía de “transición”, pues se transforma en otros tipos de energía: mecánica (motores), luminosa (bombillas), térmica (calor), etc.

Ejemplos prácticos:

1º. Determina la cantidad de energía eléctrica consumida en España, en MWh, durante el año 2006. (Dato: Electricidad en 2.006 fue 22,75 Mtep, el 20% del total)

2º. ¿Qué cantidad de barriles de petróleo se han consumido en España en el año 2006? ¿Cuántos kilos de petróleo tiene un barril? (Dato: Petróleo en 2.006 fue 64,10 Mtep, el 57% del total)

3º. ¿Qué unidad es mayor, 1 tep o 1 MWh?

DATOS IMPORTANTES:

1 Mtep = 1.000.000 tep (toneladas equivalentes de petróleo); 1MWh = 861.244 kcal = 0,086 tep

1 tep = 7,2056 bep (barriles equivalentes de petróleo) = 107 kcal = 4,18 · 1010 Julios

1 kilotón (kt) = 4,18 · 1015 Julios; 1 megatón (Mt) = 4,18 · 1018 Julios

1 barril de petróleo = 159 litros = 0,13878 tep; 1 bep (barril equivalente de petróleo) = 0,0072 tep.

La densidad media del petróleo es de 0,873 kg/litro

El consumo de energía primaria por habitante en España en 2006 fue de 3,34 tep.4

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5.2. Combustibles fósiles

El origen del carbón. El consumo de carbón en España en el año 2001 fue de 19,46 Mtep, y procedió de los países indicados en el gráfico.

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. Según el residuo orgánico de que se trate, tenemos combustibles sólidos (carbón), líquidos (petróleo) y gaseosos (gas natural).

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A El carbónEl carbón es un combustible sólido de color negro, compuesto fundamentalmente por carbono y otros elementos químicos, como hidrógeno, nitrógeno, oxígeno, etc. Atendiendo a la procedencia, los carbones se clasifican en minerales y artificiales. Los minerales proceden de la naturaleza y los artificiales son fabricados por el hombre, unos quemando parcialmente madera (carbón vegetal) para barbacoas; y otros como el carbón de coque (que lo veremos más adelante).

Tipos de carbones minerales.

Carbón mineral

Antracita Hulla Lignito Turba

Carbones artificiales

Carbón vegetal

Carbón de coque

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Aplicaciones del carbón

Aunque en la actualidad ha perdido mucha importancia debido a su alto poder contaminante, cabe destacar 3 aplicaciones importantes: fabricación de carbón de coque, obtención de productos industriales y producción de electricidad en centrales térmicas.

1. Fabricación de carbón de coque. Se emplea para la fabricación de acero. En este proceso actúa como combustible para fundir el mineral de hierro y emite gases para que reaccionen con los óxidos ferrosos y transformarlos en hierro. El carbón de coque se obtiene de hulla, después de sufrir un proceso que se denomina coquizado (introducir hulla en cámaras cerradas y controlar la cantidad de oxígeno); se aumenta su temperatura a 1.100ºC y se mantiene así unas 16 horas; finalmente, el coque al rojo vivo se vierte sobre un vagón que lo transporta hasta la torre de apagado (cortina de agua).

Baterías de coque.

Obtención del carbón vegetal a través de la descomposición por

acción del calor (pirólisis).

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2. Obtención de productos industriales. Los más importantes son: Gas ciudad. Empleado, como combustible gaseoso en sustitución del butano en la mayoría de las viviendas de las grandes ciudades. Su poder calorífico es de 5.000 kcal/m3 (en c.n. de presión y temperatura).

Vapores amoniacales. De ellos se suele obtener sulfato amónico, que se usa como fertilizante.

Grafito casi puro, que queda adherido a las paredes de la cámara. Brea o alquitrán, de la que se obtienen: aceites, medicamentos (ácido acetilsalicílico), colorantes, insecticidas, explosivos, plásticos, etc.

Pez. Para pavimentar carreteras (asfalto) e impermeabilizar tejados.

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Central térmica clásica.

3. Producción de electricidad en centrales térmicas clásicas.El funcionamiento de una C.T. es como sigue:El carbón que llega (1) se echa en la tolva (2) y se pulveriza con el molino (3). Luego se introduce en la caldera (4) y

se quema para obtener energía calorífica. Las cenizas que caen (5) se extraen. Esta energía calorífica se emplea para calentar agua (6, 7 y 8). Como el calor es tan intenso, el agua se convierte en vapor a presión.

El aire que se introduce a la caldera, para que arda el carbón se inyecta a 90ºC. Para calentarlo se pasa por un recalentador (10). Los humos procedentes de la combustión se precipitan (11) con objeto de eliminar las partículas sólidas (cenizas). Un desulfurizador (11) evita que salgan las partículas de azufre a la atmósfera, que provocan la lluvia ácida. Finalmente, los humos se dejan escapar por la chimenea (12).

El vapor generado pasa a las turbinas (13, 14 y 15), haciéndolas girar a gran velocidad (se transforma la E. Térmica en E. Mecánica). Solidario al eje de las turbinas hay un alternador (20) que produce la corriente eléctrica (transformándose la E. Mecánica en E. Eléctrica).

El vapor una vez que ha impulsado las turbinas se licua en un condensador (16) donde se hace pasar agua fría procedente de la torre de refrigeración (18). El vapor convertido en agua, regresa de nuevo a la caldera previo calentamiento (19). La corriente generada se hace pasar por los transformadores (17) para elevarla y trasladarla (21) a los puntos de consumo.

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Nuevas tecnologías aplicadas a centrales térmicas

Debido a que la quema del carbón provoca grandes contaminaciones al medio ambiente, se están implantando nuevas tecnologías como son:

La combustión en lecho fluido. Una vez molido el carbón, se mezcla con cal. De esta forma se consigue un aumento del rendimiento y que el azufre reaccione con la cal evitando su emisión a la atmósfera.

La gasificación del carbón. Consiste en inyectar oxígeno al aire, junto con vapor de agua, a una masa de carbón. Con ello se genera la emisión de gas, que posteriormente se quema.

Sectorización del consumo del carbón

Desglose del consumo de carbón en España en el año 2001.

Las reservas de carbón se estiman en 4.300 millones de toneladas. El 82% de los recursos carboníferos de España están concentrados en tres provincias: León (35%), Asturias (30%) y Teruel (17%). El consumo de carbón en España durante el 2.006 fue de 42,09 millones de toneladas. De ellas, se importaron 23,70 millones.

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Carbón y medio ambiente

Efecto invernadero. (Aumento de CO2 en la atmósfera, creando una pantalla e impidiendo que los rayos de Sol que se reflejan puedan salir, son absorbidos. Y aumenta progresivamente la temperatura media de la atmósfera).

Lluvia ácida. (Las emisiones de óxidos reaccionan con el vapor de agua, transformándose en ácidos sulfúrico y nítrico, que se precipitan a la tierra en forma de lluvia).

Pérdidas de parte del manto fértil del suelo. (Destrucción de buena parte de los bosques).

Contaminación de ríos. (Daña la vida acuática y deteriora el agua que consumimos).

Deterioro del patrimonio arquitectónico. (Los gases atacan la piedra, poniendo en peligro su conservación).

La contaminación tiene grandes repercusiones en el medio ambiente.

La combustión del carbón afecta de una manera significativa al medio ambiente.

a) Impacto medioambientalLa combustión del carbón origina una serie de deterioros medioambientales importantes. Los más importantes son la emisión a la atmósfera de óxidos de azufre, de nitrógeno, hidrocarburos y dióxido de carbono. Estos gases, originan un cambio en las proporciones en el aire, y traen graves consecuencias para nuestro medio ambiente. Cabe destacar:

b) Tratamiento de residuosLas cenizas ricas en azufre originadas en la combustión del carbón no suelen perjudicar al medio ambiente, siempre que se depositen en vertederos controlados.

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Ejemplos prácticos:

4º. Calcula la cantidad de carbón de antracita que es necesario aportar diariamente a una central térmica clásica si su rendimiento es del 30% y tiene una potencia constante de 50.000 kW. (Dato: Pc antracita = 8.000 kcal/kg) (Solución: m = 430.622 kg)

5º. Calcula la cantidad de m3 de gas ciudad que es necesario quemar para convertir el carbón de hulla en carbón de coque (en el interior de una coquería), si se necesitan 2 · 108 kcal. El poder calorífico del gas ciudad es 5.000 kcal/m3. La presión de suministro es de 2 atm y la temperatura de 30ºC. El rendimiento es del 95%. (Solución: V = 23.366 m3).

6º. 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 toneladas, determina qué cantidad de carbón de antracita es necesario quemar si el rendimiento es del 8%. (Sol.: 54,95 kg).

7º. Suponiendo que el poder calorífico medio del carbón consumido en España en el año 2.006 fue de Pc = 7.000 kcal/kg y que las centrales térmicas usadas tuvieron un rendimiento del 33%, calcula la energía eléctrica producida por ellas en MWh. (Solución: 99.916.666 MWh).

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B El petróleo

Origen del petróleo

La formación del petróleo es análoga a la del carbón. Inicialmente, la descomposición se llevó a cabo mediante bacterias aerobias (que necesitan oxígeno). Posteriormente, se depositaron más sedimentos y ya no había oxígeno, aparecieron bacterias anaerobias. Estas bacterias convirtieron la materia orgánica en hidrocarburos.

Pozos petrolíferos

La localización y extracción no es una tarea sencilla. Se necesita personal muy cualificado y equipos muy costosos.

La localización se realiza mediante el denominado método sísmico, aportando gran cantidad de datos sobre la estructura del subsuelo.

Composición del petróleo.

Pozo petrolífero y torre de extracción.

El petróleo es un combustible natural formado por una mezcla de hidrocarburos y, en menor proporción, por azufre, oxígeno y nitrógeno. Su color es pardo oscuro y su densidad varía entre 0,8 y 0,95 kg/dm3, no disolviéndose en el agua.

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Las refinerías: destilación fraccionada o múltiple del petróleo

Refinería de petróleo.

Composición típica de un litro de crudo después del proceso de refinado.

El petróleo o crudo no se utiliza tal y como se extrae del yacimiento. Previamente debe sufrir un proceso de destilación en las refinerías, con objeto de separar los distintos hidrocarburos que lo forman. El principio es bastante sencillo, se trata de una destilación fraccionada.

Se hace pasar todo el crudo por un horno a unos 340ºC, con lo que el crudo se transforma en gas. Este gas se lleva a la torre de fraccionamiento, donde los gases más ligeros irán a la parte más alta y los más pesados a la más baja.

Para evitar que se mezclen unos gases con otros, se produce una nueva destilación, produciéndose lo que se conoce como destilación fraccionada o múltiple.

En la figura de la izquierda se ve la torre de fraccionamiento (por cada flecha se obtiene los distintos gases).

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Productos obtenidos y sus aplicaciones

Gas natural

Gasoducto en operación

Gasoducto en construcción

Gasoducto en proyecto

Gasoducto en estudio

Planta de regasificación

Estación de compresión

Planta de regasificación en proyecto o estudio

Estación de compresión en proyectos/construcción

Estación de compresión en estudio

Centros de mantenimiento

Centros de mantenimiento en proyecto estudio

Yacimiento de gas natural

Almacenamiento subterráneo

Centrales eléctricasRed de gaseoductos de gas natural.

De los pozos petrolíferos se obtienen dos tipos de combustibles: gas natural e hidrocarburos.

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Países de los que España importa gas natural. Países de los que España importa crudo.

En España hay cinco pozos petrolíferos en explotación, pero los que más crudo proporcionaron en 2006 fueron: Rodaballo (35.393 Toneladas), Casablanca (66.766 T), Boquerón (32.390 T) y Ayoluengo (5.397 T).La producción de crudo en España en el año 2.006, fue de 0,140 Mtep.El consumo total de crudo o petróleo en el año 2.006 fue de 72,04 Mtep.

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Hidrocarburos líquidos, sólidos y gaseosos

Hidrocarburos Poder calorífico Características y aplicaciones

Muy volátiles e inflamables. Debido a su gran volumen y difícil licuefacción se suelen quemar en la propia refinería.

Metano+Etano 8.500 kcal/m3

Butano 28.500 kcal/m3 Se suele vender en botellas de 12,5 kg (color naranja).

Propano 22.350 kcal/m3 Se comercializa en botellas de acero de 11 kg y 35 kg.Uso doméstico.

Gasolina 11.000 kcal/kg Se emplea en motores de explosión. Cuando se utiliza en motores de dos tiempos es necesario mezclarlo con un 2

% de aceite.

Queroseno 10.765 kcal/kg Utilizado en motores de aviación.

Gasóleo 10.300 kcal/kg Empleado en motores Diesel y calefacciones.

Fuelóleo 9.900 kcal/kg Se utiliza en centrales térmicas en sustitución del carbón.

Aceites 9.800 kcal/kg No se emplean como fuente de energía, sino para el engrasado de piezas móviles.

Ceras (parafinas, 9.500 kcal/kg Usos industriales. vaselinas)

Alquitrán 9.200 kcal/kg Pavimentos de carreteras e impermeabilizante en terrazas, tejados, etcétera.

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se

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os

Líq

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os

Só

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os

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Petróleo y medio ambiente

Instalaciones de almacenamiento

Oleoducto de productos en servicio

Oleoducto de crudo en servicio

Oleoducto de crudo en proyecto

Instalaciones de suministro a buques

Instalaciones aeroportuarias

RefineríasRed de oleoductos.

Impacto medioambiental del petróleo. Por tratarse de un combustible fósil, de formación análoga al carbón, sus repercusiones son muy parecidas. Para paliar parte de los problemas de lluvia ácida y efecto invernadero, se han tomado las siguientes medidas: utilización de gasolina sin plomo, gasóleos libres de azufre y sustituir las instalaciones de gasóleo y fuelóleo por otras que utilicen gas natural.

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Tal vez uno de los mayores problemas que genera el consumo de petróleo radica en su transporte. Existe una enorme red de oleoductos en España y el mundo, pero no es suficiente para cubrir la demanda y hay que recurrir al transporte marítimo y terrestre. Las costas españolas han sufrido bastantes desastres ecológicos, el más reciente ha sido el vertido del petrolero Prestige en las costas gallegas y cantábricas.

Marca negra ocasionada por el vertido de un petrolero.

Tratamiento de residuos. Los productos petrolíferos tienen muy pocos residuos. Sólo cuando se está refinando el petróleo se producen residuos gaseosos (metano + etano), los cuales, dada su dificultad para licuarlos (ya que exigiría altísimas presiones, peligrosas a la hora de manipular contenedores), son quemados en la propia refinería. En esta combustión emiten monóxido y dióxido de carbono a la atmósfera.

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5.3. Energía nuclear

Se llama energía nuclear a aquella que se desprende de los núcleos de ciertos átomos, cuando entre ellos se produce una determinada reacción.

Tipos dereacciones nucleares

Fisión Fusión

Ejemplo práctico:8º. Sabiendo que el poder calorífico de un tipo de carbón es de 7.200 kcal/kg y el del gasóleo 10.300 kcal/kg, determina qué cantidad de cada uno de ellos sería necesario quemar para obtener una energía equivalente a la obtenida si se desintegrase íntegramente 1 kg de uranio. (Soluciones: 2,98 · 106 toneladas de carbón y 2,09 · 106 toneladas de gasóleo).

Einstein descubrió que la masa se podía transformar en energía, según la fórmula:

E = m · c2

donde E = Energía producida (Julios).m = masa desintegrada (Kg).c = velocidad de la luz = 3 · 108 m/s

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A Tipos de reacciones nucleares Fisión. Consiste en romper un núcleo de un átomo de Uranio enriquecido (235U) o de Plutonio (239Pu). Estos son los dos únicos isótopos fisionables y además inestables.

Fisión nuclear.

1n + 235U = 93Cs + 140Rb + 3n

El proceso comienza lanzando un neutrón a gran velocidad sobre el átomo que se desea fisionar (romper). Al chocar, lo rompe en dos fragmentos (dos nuevos átomos), liberando tres neutrones y gran cantidad de calor.Cada uno de los 3n puede provocar nuevas fisiones, dando lugar a nuevos neutrones y así sucesivamente. Este fenómeno se conoce como reacción en cadena. Si no se controla este número de escisiones, el calor liberado es tan grande que se origina una bomba atómica.Todas las centrales nucleares españolas consumen alrededor de 120 t de uranio enriquecido al año, que se produce en Saelices el Chico (Salamanca).

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Componentes de una central nuclear1. Reactor nuclear. En él tiene lugar la reacción nuclear de fisión.

2. Turbina. Le llega vapor a alta presión. El giro de la turbina mueve un alternador.

3. Condensador. Licua el vapor para introducirlo nuevamente en el reactor.

4. Edificio de almacenamiento y manipulación.

5. Circuito de refrigeración/generador de vapor. El reactor está rodeado

por un líquido refrigerante cuya misión es la de evacuar el calor.

Los refrigerantes más usados son: deuterio, protio o helio.

Central nuclear.

Componentes de una central nuclear.

Reactor

Circuito de refrigeración

Edificio de almacenamiento y manipulación

Condensador Turbina

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• Utiliza como combustible uranio enriquecido (235U) al 3 %.

• Como moderador: agua ligera (protio).

• El circuito de refrigeración consta de dos circuitos autónomos: primario (el refrigerante está siempre en estado líquido) y secundario (el refrigerante, al pasar por el generador de vapor, se convierte en vapor a gran presión).

• El 50% de las centrales que hay son de este tipo.

• El combustible es igual que en el tipo anterior.

• Como moderador emplea el mismo que el tipo anterior.

• El circuito de refrigeración consta de un solo circuito. El refrigerante que extrae el calor del núcleo pasa a estado gaseoso (ebullición), y se dirige a las turbinas.

• El 25% de las centrales mundiales son de este tipo.

Central con reactor de agua a presión (PWR). Central con reactor de agua en ebullición (BWR).

En España hay 8 centrales nucleares de fisión, 6 PWR (1 en Guadalajara – 1.066Mw, 2 en Cáceres – 983 y 974Mw, 3 en Tarragona – 1.009Mw, 973Mw y 966Mw) y 2 BWR (1 en Valencia 990Mw y 1 en Burgos 460Mw).

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Fusión. Consiste en la unión de dos núcleos de átomos ligeros para formar un núcleo más pesado y el desprendimiento de gran cantidad de energía. Los átomos de un gas están siempre chocando unos contra otros. A medida que se calientan, aumenta su velocidad de movimiento. Si esta velocidad aumenta a varios miles de km/s (aplicándoles calor hasta millones de grados), pueden vencer la mutua repulsión de sus núcleos y así fundirse al chocar, generando un nuevo átomo. Este proceso libera gran cantidad de energía en forma de calor.

Reactor Tokamak. Método usado para contener el plasma.

Fusión nuclear.

La ventaja es que el deuterio y el tritio para formar helio, se pueden obtener del hidrógeno y éste del agua dulce o de mar, con lo que resultaría una fuente inagotable de energía. El inconveniente es que este tipo de energía todavía se encuentra en fase de experimentación, ya que se gasta más de la que se obtiene.

Los problemas que presenta son:-Calentar el gas a temperaturas de 100.000.000ºC y para que pueda ser comercial a 300.000.000ºC. Se cree que la fusión es la fuente de energía de las estrellas (el Sol, por ejemplo).- Disponer de un recipiente que soporte esas temperaturas el tiempo suficiente. - Extraer la energía liberada y transformarla en electricidad.- Métodos para contener el plasma (masa de átomos ionizados a 100.000ºC con carga positiva). Hay dos métodos: confinamiento inercial y confinamiento magnético o Tokamak.

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B Energía nuclear y medio ambiente

Impacto medioambiental. Los accidentes pueden ser provocados por: escapes de agua radiactiva del circuito primario (como ha ocurrido en un submarino británico) y explosiones del reactor, motivadas por el exceso de temperatura (es el caso de Chernobyl, en Ucrania).

Tratamiento de residuos. Los residuos son aquellos materiales que contienen radioisótopos (que emiten partículas radiactivas). Se pueden clasificar en los siguientes tipos: de baja actividad (ropa, guantes, herramientas, etc.), de media actividad (filtros de gases y líquidos usados) y de alta actividad (combustibles gastados).

Dosis anuales de radiación habituales por persona.

Los de alta actividad se almacenan provisionalmente en la central, dentro de piscinas de hormigón con agua. Luego pueden reprocesarse para obtener combustible o armas nucleares, o encapsularse y depositarse en minas profundas, geológicamente estables.