Energas no renovables5Unidad

*5.1. Fuentes de energaA Fuentes de energa primariasLas fuentes de energa se clasifican en: primarias (que son las que actualmente utiliza el hombre) y secundarias (que son las resultantes de la transformacin de las primarias en otro tipo de energa).Energas 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 energas renovables son aquellas que estn disponibles sin peligro de que se agoten, pues la propia naturaleza, en condiciones normales, nos la seguir proporcionando.El consumo de energa en Espaa en el 2006 fue de 149,22 Mtep. (1Tep = 107 kcal)

*B Fuentes de energa secundariasConsumo de energa secundaria en Espaa en el ao 2001.Las energas secundarias o finales son aquellas resultantes de la transformacin de las energas primarias en otro tipo de energa.Como por ejemplo, tenemos la gasolina, el gasleo, el queroseno y otros derivados del petrleo; la electricidad, etc.El consumo de energa secundaria en el ao 2006 fue de 113,64 Mtep.La electricidad se puede considerar ms bien como un tipo de energa de transicin, pues se transforma en otros tipos de energa: mecnica (motores), luminosa (bombillas), trmica (calor), etc.

Ejemplos prcticos:1. Determina la cantidad de energa elctrica consumida en Espaa, en MWh, durante el ao 2006. (Dato: Electricidad en 2.006 fue 22,75 Mtep, el 20% del total)2. Qu cantidad de barriles de petrleo se han consumido en Espaa en el ao 2006? Cuntos kilos de petrleo tiene un barril? (Dato: Petrleo en 2.006 fue 64,10 Mtep, el 57% del total)3. Qu unidad es mayor, 1 tep o 1 MWh?DATOS IMPORTANTES: 1 Mtep = 1.000.000 tep (toneladas equivalentes de petrleo); 1MWh = 861.244 kcal = 0,086 tep1 tep = 7,2056 bep (barriles equivalentes de petrleo) = 107 kcal = 4,18 1010 Julios1 kilotn (kt) = 4,18 1015 Julios; 1 megatn (Mt) = 4,18 1018 Julios1 barril de petrleo = 159 litros = 0,13878 tep; 1 bep (barril equivalente de petrleo) = 0,0072 tep.La densidad media del petrleo es de 0,873 kg/litroEl consumo de energa primaria por habitante en Espaa en 2006 fue de 3,34 tep.*

*5.2. Combustibles fsilesEl origen del carbn.El consumo de carbn en Espaa en el ao 2001 fue de 19,46 Mtep, y procedi de los pases indicados en el grfico.Los combustibles fsiles son el carbn, el petrleo y el gas natural. Todos ellos proceden de restos vegetales y otros organismos vivos (generalmente plancton marino) que hace millones de aos fueron sepultados por efecto de grandes cataclismos. Segn el residuo orgnico de que se trate, tenemos combustibles slidos (carbn), lquidos (petrleo) y gaseosos (gas natural).

*A El carbnEl carbn es un combustible slido de color negro, compuesto fundamentalmente por carbono y otros elementos qumicos, como hidrgeno, nitrgeno, oxgeno, 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 (carbn vegetal) para barbacoas; y otros como el carbn de coque (que lo veremos ms adelante).

Tipos de carbones minerales.

*Aplicaciones del carbnAunque en la actualidad ha perdido mucha importancia debido a su alto poder contaminante, cabe destacar 3 aplicaciones importantes: fabricacin de carbn de coque, obtencin de productos industriales y produccin de electricidad en centrales trmicas.

Fabricacin de carbn de coque. Se emplea para la fabricacin de acero. En este proceso acta como combustible para fundir el mineral de hierro y emite gases para que reaccionen con los xidos ferrosos y transformarlos en hierro. El carbn de coque se obtiene de hulla, despus de sufrir un proceso que se denomina coquizado (introducir hulla en cmaras cerradas y controlar la cantidad de oxgeno); se aumenta su temperatura a 1.100C y se mantiene as unas 16 horas; finalmente, el coque al rojo vivo se vierte sobre un vagn que lo transporta hasta la torre de apagado (cortina de agua).Bateras de coque.Obtencin del carbn vegetal a travs de la descomposicin por accin del calor (pirlisis).

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2. Obtencin de productos industriales. Los ms importantes son: Gas ciudad. Empleado, como combustible gaseoso en sustitucin del butano en la mayora de las viviendas de las grandes ciudades. Su poder calorfico es de 5.000 kcal/m3 (en c.n. de presin y temperatura). Vapores amoniacales. De ellos se suele obtener sulfato amnico, que se usa como fertilizante. Grafito casi puro, que queda adherido a las paredes de la cmara. Brea o alquitrn, de la que se obtienen: aceites, medicamentos (cido acetilsaliclico), colorantes, insecticidas, explosivos, plsticos, etc. Pez. Para pavimentar carreteras (asfalto) e impermeabilizar tejados.

*Central trmica clsica.

3. Produccin de electricidad en centrales trmicas clsicas.El funcionamiento de una C.T. es como sigue:El carbn 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 energa calorfica. Las cenizas que caen (5) se extraen. Esta energa calorfica se emplea para calentar agua (6, 7 y 8). Como el calor es tan intenso, el agua se convierte en vapor a presin.El aire que se introduce a la caldera, para que arda el carbn se inyecta a 90C. Para calentarlo se pasa por un recalentador (10). Los humos procedentes de la combustin se precipitan (11) con objeto de eliminar las partculas slidas (cenizas). Un desulfurizador (11) evita que salgan las partculas de azufre a la atmsfera, que provocan la lluvia cida. Finalmente, los humos se dejan escapar por la chimenea (12).El vapor generado pasa a las turbinas (13, 14 y 15), hacindolas girar a gran velocidad (se transforma la E. Trmica en E. Mecnica). Solidario al eje de las turbinas hay un alternador (20) que produce la corriente elctrica (transformndose la E. Mecnica en E. Elctrica).El vapor una vez que ha impulsado las turbinas se licua en un condensador (16) donde se hace pasar agua fra procedente de la torre de refrigeracin (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.

*Nuevas tecnologas aplicadas a centrales trmicasDebido a que la quema del carbn provoca grandes contaminaciones al medio ambiente, se estn implantando nuevas tecnologas como son:La combustin en lecho fluido. Una vez molido el carbn, se mezcla con cal. De esta forma se consigue un aumento del rendimiento y que el azufre reaccione con la cal evitando su emisin a la atmsfera.La gasificacin del carbn. Consiste en inyectar oxgeno al aire, junto con vapor de agua, a una masa de carbn. Con ello se genera la emisin de gas, que posteriormente se quema. Sectorizacin del consumo del carbnDesglose del consumo de carbn en Espaa en el ao 2001.Las reservas de carbn se estiman en 4.300 millones de toneladas. El 82% de los recursos carbonferos de Espaa estn concentrados en tres provincias: Len (35%), Asturias (30%) y Teruel (17%). El consumo de carbn en Espaa durante el 2.006 fue de 42,09 millones de toneladas. De ellas, se importaron 23,70 millones.

* Carbn y medio ambiente Efecto invernadero. (Aumento de CO2 en la atmsfera, 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 atmsfera). Lluvia cida. (Las emisiones de xidos reaccionan con el vapor de agua, transformndose en cidos sulfrico y ntrico, que se precipitan a la tierra en forma de lluvia). Prdidas de parte del manto frtil del suelo. (Destruccin de buena parte de los bosques). Contaminacin de ros. (Daa la vida acutica y deteriora el agua que consumimos). Deterioro del patrimonio arquitectnico. (Los gases atacan la piedra, poniendo en peligro su conservacin).La contaminacin tiene grandes repercusiones en el medio ambiente.La combustin del carbn afecta de una manera significativa al medio ambiente. Impacto medioambientalLa combustin del carbn origina una serie de deterioros medioambientales importantes. Los ms importantes son la emisin a la atmsfera de xidos de azufre, de nitrgeno, hidrocarburos y dixido 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 combustin del carbn no suelen perjudicar al medio ambiente, siempre que se depositen en vertederos controlados.

*Ejemplos prcticos:4. Calcula la cantidad de carbn de antracita que es necesario aportar diariamente a una central trmica clsica si su rendimiento es del 30% y tiene una potencia constante de 50.000 kW. (Dato: Pc antracita = 8.000 kcal/kg) (Solucin: m = 430.622 kg)5. Calcula la cantidad de m3 de gas ciudad que es necesario quemar para convertir el carbn de hulla en carbn de coque (en el interior de una coquera), si se necesitan 2 108 kcal. El poder calorfico del gas ciudad es 5.000 kcal/m3. La presin de suministro es de 2 atm y la temperatura de 30C. El rendimiento es del 95%. (Solucin: V = 23.366 m3).6. En una zona turstica, para subir a lo alto de una montaa de 500 m se emplea una locomotora de vapor. Suponiendo que la locomotora, junto con los viajeros, pesa 30 toneladas, determina qu cantidad de carbn de antracita es necesario quemar si el rendimiento es del 8%. (Sol.: 54,95 kg).7. Suponiendo que el poder calorfico medio del carbn consumido en Espaa en el ao 2.006 fue de Pc = 7.000 kcal/kg y que las centrales trmicas usadas tuvieron un rendimiento del 33%, calcula la energa elctrica producida por ellas en MWh. (Solucin: 99.916.666 MWh).

*B El petrleo Origen del petrleoLa formacin del petrleo es anloga a la del carbn. Inicialmente, la descomposicin se llev a cabo mediante bacterias aerobias (que necesitan oxgeno). Posteriormente, se depositaron ms sedimentos y ya no haba oxgeno, aparecieron bacterias anaerobias. Estas bacterias convirtieron la materia orgnica en hidrocarburos. Pozos petrolferosLa localizacin y extraccin no es una tarea sencilla. Se necesita personal muy cualificado y equipos muy costosos.La localizacin se realiza mediante el denominado mtodo ssmico, aportando gran cantidad de datos sobre la estructura del subsuelo.Composicin del petrleo.Pozo petrolfero y torre de extraccin.El petrleo es un combustible natural formado por una mezcla de hidrocarburos y, en menor proporcin, por azufre, oxgeno y nitrgeno. Su color es pardo oscuro y su densidad vara entre 0,8 y 0,95 kg/dm3, no disolvindose en el agua.

* Las refineras: destilacin fraccionada o mltiple del petrleoRefinera de petrleo.Composicin tpica de un litro de crudo despus del proceso de refinado.El petrleo o crudo no se utiliza tal y como se extrae del yacimiento. Previamente debe sufrir un proceso de destilacin en las refineras, con objeto de separar los distintos hidrocarburos que lo forman. El principio es bastante sencillo, se trata de una destilacin fraccionada.Se hace pasar todo el crudo por un horno a unos 340C, con lo que el crudo se transforma en gas. Este gas se lleva a la torre de fraccionamiento, donde los gases ms ligeros irn a la parte ms alta y los ms pesados a la ms baja.Para evitar que se mezclen unos gases con otros, se produce una nueva destilacin, producindose lo que se conoce como destilacin fraccionada o mltiple.

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

* Productos obtenidos y sus aplicaciones Gas naturalRed de gaseoductos de gas natural.De los pozos petrolferos se obtienen dos tipos de combustibles: gas natural e hidrocarburos.

*Pases de los que Espaa importa gas natural.Pases de los que Espaa importa crudo.En Espaa hay cinco pozos petrolferos en explotacin, pero los que ms crudo proporcionaron en 2006 fueron: Rodaballo (35.393 Toneladas), Casablanca (66.766 T), Boquern (32.390 T) y Ayoluengo (5.397 T).La produccin de crudo en Espaa en el ao 2.006, fue de 0,140 Mtep.El consumo total de crudo o petrleo en el ao 2.006 fue de 72,04 Mtep.

* Hidrocarburos lquidos, slidos y gaseosos

* Petrleo y medio ambienteRed de oleoductos.Impacto medioambiental del petrleo. Por tratarse de un combustible fsil, de formacin anloga al carbn, sus repercusiones son muy parecidas. Para paliar parte de los problemas de lluvia cida y efecto invernadero, se han tomado las siguientes medidas: utilizacin de gasolina sin plomo, gasleos libres de azufre y sustituir las instalaciones de gasleo y fuelleo por otras que utilicen gas natural.

*Tal vez uno de los mayores problemas que genera el consumo de petrleo radica en su transporte. Existe una enorme red de oleoductos en Espaa y el mundo, pero no es suficiente para cubrir la demanda y hay que recurrir al transporte martimo y terrestre. Las costas espaolas han sufrido bastantes desastres ecolgicos, el ms reciente ha sido el vertido del petrolero Prestige en las costas gallegas y cantbricas.

Marca negra ocasionada por el vertido de un petrolero.Tratamiento de residuos. Los productos petrolferos tienen muy pocos residuos. Slo cuando se est refinando el petrleo se producen residuos gaseosos (metano + etano), los cuales, dada su dificultad para licuarlos (ya que exigira altsimas presiones, peligrosas a la hora de manipular contenedores), son quemados en la propia refinera. En esta combustin emiten monxido y dixido de carbono a la atmsfera.

*5.3. Energa nuclearEjemplo prctico:8. Sabiendo que el poder calorfico de un tipo de carbn es de 7.200 kcal/kg y el del gasleo 10.300 kcal/kg, determina qu cantidad de cada uno de ellos sera necesario quemar para obtener una energa equivalente a la obtenida si se desintegrase ntegramente 1 kg de uranio. (Soluciones: 2,98 106 toneladas de carbn y 2,09 106 toneladas de gasleo).Einstein descubri que la masa se poda transformar en energa, segn la frmula: E = m c2donde E = Energa producida (Julios).m = masa desintegrada (Kg).c = velocidad de la luz = 3 108 m/s

*A Tipos de reacciones nucleares Fisin. Consiste en romper un ncleo de un tomo de Uranio enriquecido (235U) o de Plutonio (239Pu). Estos son los dos nicos istopos fisionables y adems inestables.Fisin nuclear.El proceso comienza lanzando un neutrn a gran velocidad sobre el tomo que se desea fisionar (romper). Al chocar, lo rompe en dos fragmentos (dos nuevos tomos), liberando tres neutrones y gran cantidad de calor.Cada uno de los 3n puede provocar nuevas fisiones, dando lugar a nuevos neutrones y as sucesivamente. Este fenmeno se conoce como reaccin en cadena. Si no se controla este nmero de escisiones, el calor liberado es tan grande que se origina una bomba atmica.Todas las centrales nucleares espaolas consumen alrededor de 120 t de uranio enriquecido al ao, que se produce en Saelices el Chico (Salamanca).

* Componentes de una central nuclear1. Reactor nuclear. En l tiene lugar la reaccin nuclear de fisin.2. Turbina. Le llega vapor a alta presin. El giro de la turbina mueve un alternador.3. Condensador. Licua el vapor para introducirlo nuevamente en el reactor.4. Edificio de almacenamiento y manipulacin. 5. Circuito de refrigeracin/generador de vapor. El reactor est rodeadopor un lquido refrigerante cuya misin es la de evacuar el calor.Los refrigerantes ms usados son: deuterio, protio o helio.Central nuclear.

* Utiliza como combustible uranio enriquecido (235U) al 3 %. Como moderador: agua ligera (protio). El circuito de refrigeracin consta de dos circuitos autnomos: primario (el refrigerante est siempre en estado lquido) y secundario (el refrigerante, al pasar por el generador de vapor, se convierte en vapor a gran presin). 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 refrigeracin consta de un solo circuito. El refrigerante que extrae el calor del ncleo pasa a estado gaseoso (ebullicin), y se dirige a las turbinas. El 25% de las centrales mundiales son de este tipo.Central con reactor de agua a presin (PWR).Central con reactor de agua en ebullicin (BWR).En Espaa hay 8 centrales nucleares de fisin, 6 PWR (1 en Guadalajara 1.066Mw, 2 en Cceres 983 y 974Mw, 3 en Tarragona 1.009Mw, 973Mw y 966Mw) y 2 BWR (1 en Valencia 990Mw y 1 en Burgos 460Mw).

* Fusin. Consiste en la unin de dos ncleos de tomos ligeros para formar un ncleo ms pesado y el desprendimiento de gran cantidad de energa. Los tomos de un gas estn 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 (aplicndoles calor hasta millones de grados), pueden vencer la mutua repulsin de sus ncleos y as fundirse al chocar, generando un nuevo tomo. Este proceso libera gran cantidad de energa en forma de calor. Reactor Tokamak. Mtodo usado para contener el plasma.Fusin nuclear.La ventaja es que el deuterio y el tritio para formar helio, se pueden obtener del hidrgeno y ste del agua dulce o de mar, con lo que resultara una fuente inagotable de energa. El inconveniente es que este tipo de energa todava se encuentra en fase de experimentacin, ya que se gasta ms de la que se obtiene.

Los problemas que presenta son:Calentar el gas a temperaturas de 100.000.000C y para que pueda ser comercial a 300.000.000C. Se cree que la fusin es la fuente de energa de las estrellas (el Sol, por ejemplo). Disponer de un recipiente que soporte esas temperaturas el tiempo suficiente. Extraer la energa liberada y transformarla en electricidad. Mtodos para contener el plasma (masa de tomos ionizados a 100.000C con carga positiva). Hay dos mtodos: confinamiento inercial y confinamiento magntico o Tokamak.

*B Energa 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 britnico) 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 radioistopos (que emiten partculas radiactivas). Se pueden clasificar en los siguientes tipos: de baja actividad (ropa, guantes, herramientas, etc.), de media actividad (filtros de gases y lquidos usados) y de alta actividad (combustibles gastados).Dosis anuales de radiacin habituales por persona.Los de alta actividad se almacenan provisionalmente en la central, dentro de piscinas de hormign con agua. Luego pueden reprocesarse para obtener combustible o armas nucleares, o encapsularse y depositarse en minas profundas, geolgicamente estables.