TEMA 2: ENERXÍAS NON RENOVABLES

1.- COMBUSTIBLES FÓSILES

son o carbón, o petróleo e o gas natural. todos eles proceden de restos vexetais e outros organismos vivos (xeralmente planctón mariño) que fai millóns de anos foron sepultados por efecto de grandes cataclismos ou fenómenos naturais. estes restos deron lugar ós combustibles fósiles pola acción de microorganismos en condicións de temperatura e presión determinadas. segundo o residuo orgánico, así como das condicións de permanencia no lugar, temos: combustibles sólidos (carbón), combustibles líquidos (petróleo) e combustibles gasosos (gas natural).

1.1.- O CARBÓN

É un combustible sólido de cor negro, composto fundamentalmente por carbono e outros elementos químicos, tales como hidróxeno, nitróxeno, osíxeno, etc.

O primeiro combustible fósil que utilizou o home é o carbón, e conta con abundantes reservas. Representa cerca do 70% das reservas energéticas mundiais de combustibles fósiles coñecidas actualmente, e é a máis utilizada na produción de electricidade a nivel mundial. En España, con todo, a disponibilidad do carbón é limitada e a súa calidade é baixa.

Atendendo a súa procedencia podemos clasificalo en:

Carbón mineral: Sustancia fósil, que se atopa baixo a superficie terrestre, de orixe vegetal, xerada como resultado da descomposición lenta da materia orgánica dos bosques, acumulada en lugares pantanosos, lagoas e deltas fluviales, principalmente durante o período Carbonífero. Estes vegetales enterrados sufriron un proceso de fermentación en ausencia de osíxeno, debido á acción conxunta de microorganismos, en condicións de presión e temperatura adecuados. A medida que pasaba o tempo, o carbón aumentaba o seu contido en carbono, o cal incrementa a calidade e poder calorífico do mesmo. Segundo este criterio, o carbón pódese clasificar en:

o Turba : é o carbón máis recente. Ten unha porcentaxe alta de humidade (ata 90%), baixo poder calorífico (menos de 4000 kcal/kg) e pouco carbono (menos dun 50%). Se debe secar antes do seu uso. Atópase en zonas pantanosas. Emprégase en calefacción e como produción de

abonos. Ten moi pouco interese industrial debido ao seu baixo poder calorífico.

o Lignito : poder calorífico en torno ás 5000 kcal/kg, con máis dun 50 % de carbono (case un 70%) e moita humidade (30%). Atópase en minas ao descuberto e por iso, o seu uso adoita ser rendible. Emprégase en centrais térmicas para a obtención de enerxía eléctrica e para a obtención de subproductos mediante destilación seca.

o Hulla : ten alto poder calorífico, máis de 7000 kcal/kg e elevada porcentaxe de carbono (85%). Emprégase en centrais eléctricas e fundiciones de metais. Por destilación seca obtense amoniaco, alquitrán e carbón de coque (moi utilizado en industria: altos hornos).

o Antracita : é o carbón máis antigo, pois ten máis dun 90% de carbono. Arde con facilidade e ten un alto poder calorífico (máis de 8000 kcal/kg).

A presión e a calor adicional poden transformar o carbón en grafito.

A través dunha serie de procesos, obtéñense os carbones artificiais; os máis importantes son o coque e o carbón vegetal.

Coque: obtense a partir do carbón natural. Obtense quentando a hulla en ausencia de aire nuns hornos especiais. O resultado é un carbón cun maior poder calorífico.

Carbón vegetal: obtense a partir da madeira. Pode usarse como combustible, pero a súa principal aplicación é como absorbente de gases, polo que se usa en mascarillas antigás. Actualmente o seu uso descendeu.

O carbón perdeu na actualidade moita importancia, debido o seu elevado poder contaminante, pero aínda presenta bastantes aplicacións como fonte primaria de enerxía. As principais aplicacións son:

Produción de electricidade en centrais térmicas clásicas.

Fabricación de aceiros nos altos fornos.

Obtención de produtos de uso industrial.

1.1.1.- FUNCIONAMENTO DE UNHA CENTRAL TÉRMICA

O funcionamento dunha central térmica clásica consta das seguintes fases importantes:

O carbón chega pola cinta transportadora (1), cae á tolva (2) e pulverizase mediante un muíño (3). Logo introdúcese na caldeira (4) e queimase para obter enerxía calorífica.

Esta enerxía calorífica emprégase para quentar a auga que circula polos tubos (6, 7 e 8). Como o calor é tan intenso, a auga convertese en vapor.

Este vapor xerado diríxese cara as turbinas (12, 13 e 14) e fainas xirar a gran velocidade (transfórmase a enerxía térmica en mecánica de rotación).

Solidario ó eixo da turbina está o alternador ou xerador de corrente alterna que produce corrente. Transfórmase a enerxía mecánica en enerxía eléctrica.

Finalmente o vapor de auga licúase no condensador (15) e volve de novo á caldeira, previo quentamento (18). A corrente eléctrica xerada (a uns 20.000 voltios) faise pasar polos transformadores (16) e elévase a súa tensión ata uns 400.000 V, para o seu traslado ós puntos de consumo.

Debido a que a queima do carbón contamina o medio ambiente, estanse implantando novas tecnoloxías entre as que destacan:

o Combustión en leito fluído: para isto unha vez moído o carbón, mesturase con partículas de cal. Por efecto dunha corrente ascendente, que as manteñen flotando ó mesmo tempo que arden, conséguese que: o carbón arda mellor ó ter unha maior superficie de contacto e o xofre contido no carbón reaccione quimicamente coa cal, co que evitamos a emisión de xofre á atmosfera e con isto a chuvia ácida.

o Gasificación do carbón: consiste en inxectar osíxeno xunto con vapor de auga, a unha masa de carbón. Desta forma obtense un gas que posteriormente se queima. Esta técnica emprégase tamén para o

aproveitamento de enerxía en vetas de carbón de difícil acceso ou a grandes profundidades.

1.1.2.- FABRICACIÓN DE ACEIROS NOS ALTOS FORNOS

A materia prima nun alto forno, no referente ó combustible, é o carbón de coque. Este carbón fai dúas funcións vitais:

o Servir como combustible para fundir o mineral de ferro. o Emitir gases que reaccionen cos óxidos ferrosos para transformalos en

ferro (proceso de redución, contrario á oxidación).

1.1.3.- OBTENCIÓN DE PRODUTOS DE USO INDUSTRIAL

Os máis importantes son:

o Gas cidade: empregado como combustible gasoso en substitución do butano na maioría das vivendas das grandes cidades.

o Vapores amoniacais: deles pode obterse sulfato amónico, que é empregado como fertilizante.

o Grafito case puro, que queda pegado ás paredes da cámara de coquizado.

o Brea ou chapapote: do que obtemos aceites para medicamentos, colorantes, insecticidas, … e pez, empregado para pavimentar estradas e impermeabilizar tellados.

1.1.4.- IMPACTO AMBIENTAL

Tanto a extracción como a combustión do carbón orixina unha serie de deterioros medioambientales importantes. De todos, os máis importantes son os residuos que pasan á atmosfera: óxidos de xofre, óxidos de nitróxeno, partículas sólidas, hidrocarburos (metano) e dióxido de carbono. Estes gases si non son absorbidos por procesos naturais orixinan un cambio nas proporcións do aire, e conlevan consecuencias para o medio ambiente. Cabe salientar os seguintes efectos:

Efecto invernadoiro: consiste nun aumento do porcentaxe de dióxido de carbono (CO2) na atmosfera. Isto fai que os raios entren na atmosfera atravesándoa sen dificultade, pero cando o raio é reflectido na terra este é absorbido co conseguinte aumento da temperatura media.

Choiva ácida: xérase como consecuencia da emisión de xofre e óxidos de nitróxeno á atmosfera. Estas emisións reaccionan co vapor de auga transformándose en ácido sulfúrico e ácido nítrico, que caen a terra en forma de choiva.

Perdas do manto fértil do solo: orixina a destrución de boa parte dos bosques. Contaminación dos ríos: dana a vida acuática e deteriora a auga que

consumimos.

Deterioro do patrimonio arquitectónico: atacan as pedras poñendo en perigo a súa conservación.

1.2.- O PETRÓLEO

É un combustible natural formado por unha mestura de hidrocarburos, e en menor proporción, outros elementos como xofre, osíxeno e nitróxeno. A formación do petróleo é análoga á do carbón. Grandes cantidades de materia vexetal (árbores) e animal (especialmente plancto mariño) foron sepultadas por sedimentos, e en determinadas condicións de presión e temperatura, orixinan dous tipos de descomposición:

Inicialmente a descomposición lévase a cabo mediante bacterias aerobias (que necesitan osíxeno).

Posteriormente, a medida que se van depositando máis sedimentos e xa non hai osíxeno, comezan a actuar as bacterias anaerobias. Estas bacterias converten a materia orgánica en hidrocarburos, que permanecen almacenados en lugares onde hai roca impermeable (arxila) que evita a súa saída ó exterior pola presión dos gases.

A obtención e localización do petróleo ou cru necesita persoal especializado e equipos custosos. Antes de proceder á perforación é necesario estudar as características do terreo. O método máis empregado para a localización de bolsas petrolíferas é o método sísmico. Consiste en facer pequenos pozos de pouca profundidade e colocar neles cargas explosivas. En lugares estratéxicos colócanse xeófonos. Ó estoupar as cargas explosivas, as ondas sísmicas propáganse polo solo e son reflectidas con maior rapidez e intensidade dependendo das rocas cas que chocan, así como a distancia á que están. Estas ondas son rexistradas polo xeófono.

Unha vez localizada unha zona onde pode existir polas condicións do terreo un posible pozo petrolífero, procédese á perforación. Mentres non se atopa o pozo nunca se está seguro da súa existencia. A miúdo, moitas perforacións non teñen éxito. O cru soe estar introducido en roca porosa e rodeado na parte superior por gas natural e outros hidrocarburos gasosos, na parte inferior por auga salgada e lateralmente por roca impermeable (figura 3). O perforar e chegar á bolsa de petróleo, o cru ascende impulsado polos gases e a auga salgada. A medida que sae o cru a presión vai

diminuíndo ata que deixa de aflorar por si solo. Nese caso recorrese a bombas de extracción e a miúdo a inxectar auga ou gas a gran presión no interior no pozo.

O petróleo ou cru non se emprega directamente tal e como sae do pozo. Previamente debe sufrir un proceso de destilación nas refinerías para separar os distintos hidrocarburos que o forman. O principio é moi sinxelo. Supoñamos unha mestura dun sólido e un líquido. Ó evaporarse o líquido, no recipiente quedará só o sólido. Si ese gas evaporado arrefría noutro lugar pode recuperarse. O cru está formado por distintos hidrocarburos con diferentes temperaturas de evaporación,

polo que poden separarse elevando a súa temperatura e arrefriándoo posteriormente. O proceso de destilación é o seguinte:

1) Faise pasar todo o cru por un forno a unha temperatura de uns 340 ºC, conseguindo que todo o petróleo se transforma en gas.

2) Esta gas lévase á parte inferior da refinería (torre de fraccionamento). Os gases máis lixeiros tenden a subir ata a parte máis alta da torre e os máis pesados condénsanse en forma líquida a diferentes alturas. A temperatura na parte inferior é máis elevada que na parte superior (figura 4).

O principal problema é que as temperaturas de ebulición dos distintos hidrocarburos están moi próximas. Para evitar que un deles sexa arrastrado por outro, é necesario destilalo de novo, constituíndo o que denominamos destilación fraccionada ou múltiple.

Cando a necesidade dun produto é maior que a de outro, como no caso da gasolina que ten máis demanda que o aceite, e para evitar almacenamentos excesivos, recorrese a un proceso denominado cracking. O cracking consiste en quentar un hidrocarburo por encima da súa temperatura de ebulición coa finalidade de romper as moléculas complexas ( por axitación térmica) e obter outras de peso molecular menor que coincidan cas dos hidrocarburos de maior demanda.

Os produtos máis importantes que se obteñen son os seguintes:

a) Gasosos: metano+etano, propano e butano. b) Líquidos: gasolina, queroseno, gasóleo, fuel óleo e aceites. c) Sólidos: ceras (parafinas e vaselinas) e chapapote.

1.2.1.- IMPACTO AMBIENTAL

Por tratarse dun combustible fósil, as súas repercusións son similares ás do carbón. Para paliar os problemas da chuvia ácida e do efecto invernadoiro, poden tomarse as seguintes medidas: emprego de gasolina sen chumbo, utilización de gasóleos libres de xofre e substitución de instalacións de gasóleo e fuel óleo por outras que empregan gas natural.

Os produtos petrolíferos teñen moi poucos residuos. Soamente no proceso de destilación prodúcense residuos gasosos (metano+etano) que xeralmente son queimados na propia refinería debido as dificultades que implica a súa licuación. Nesta combustión emítense grandes cantidades de monóxido e dióxido de carbono á atmosfera.

1.3.- GAS NATURAL

Orixinouse como consecuencia da descomposición da materia orgánica a través dun proceso análogo ó do petróleo. A miúdo atópase de dúas formas:

a) Na parte superior dos xacementos de petróleo. Recibe o nome de gas natural húmido ó atoparse mesturado con combustibles gasosos derivados do petróleo (metano, etano, propano e butano).

b) En grandes bolsas recubertas de material impermeable (arxila), que pode soportar as grandes presións que hai no interior. Este gas denomínase gas natural seco. Está formado principalmente por metano e etano, e pequenas proporcións de hidróxeno e nitróxeno.

Cando o gas natural xa foi extraído, almacenase a gran presión para que se licúe nun depósitos chamados gasómetros. Posteriormente condúcese mediante tubos (gasodutos) ou as veces licuado en camións cisterna, ata os lugares de consumo.

Independentemente da súa procedencia, o gas natural debe sufrir un tratamento para eliminar as impurezas que contén, quedando finalmente con unha composición de metano, etano e propano.

No caso do gas natural destaca o seu baixo poder contaminante dado que contén un porcentaxe en xofre moi baixo.

1.4.- COMBUSTIBLES FÓSILES

Gas cidade ou gas de hulla :Obtense principalmente a partir da destilación da hulla. Distribúese mediante tuberías ata os fogares. Poder calorífico sobre 4000 kcal/m3. É moi tóxico e inflamable, polo que foi substituído como combustible doméstico polo gas natural

Gases licuados do petróleo ou gases GLP: Son o butano e o propano. Obtéñense nas refinerías e posúen un poder calorífico que rolda as 25000 kcal/m3. Almacénanse en bombonas a grandes presións en estado líquido.

Gas de carbón: Obtense pola combustión incompleta do carbón de coque. Ten un poder calorífico moi baixo, aproximadamente 1500kcal/m3 (gas pobre)

Acetileno: Úsase basicamente na soldadura oxiacetilénica.

2.- ENERXIA NUCLEAR

Chámase enerxía nuclear a aquela enerxía que desprenden os núcleos de determinados átomos cando entre eles ten lugar unha determinada reacción. Nunha reacción nuclear a enerxía (en forma de calor) pode producirse de dúas formas: por fisión e por fusión. En ambos casos a enerxía provén da diferenza de masas que existe antes e despois da reacción. Einstein relacionou a enerxía obtida e a masa perdida mediante a expresión:

E=m·c2

É sinxelo deducir, que unha cantidade pequena de masa proporciona pois unha gran cantidade de enerxía.

2.1.- TIPOS DE ENERXIA NUCLEAR

Dende o punto de vista da obtención da enerxía, existen dous tipos de reaccións nucleares: fisión nuclear e fusión nuclear.

2.1.1.- FISIÓN NUCLEAR

Consiste en provocar a ruptura dun átomo dun elemento pesado, normalmente 233U, 235U e 239Pu. A partícula empregada para romper un átomo é o neutrón que por ter carga neutra non é desviado da súa traxectoria por ningunha outra partícula (protóns ou electróns). Ó chocar o neutrón contra o núcleo dun átomo radioactivo rómpeo en varios fragmentos (novos átomos) liberando algúns neutróns e gran cantidade de enerxía en

forma de fotóns (raios γ ). O número de fragmentos orixinados así como a cantidade de neutróns liberados dependerá do átomo radioactivo inicial e da enerxía do neutrón incidente.

Os neutróns emitidos despois dunha escisión poden provocar outras fisións noutros núcleos, continuando o proceso. Supoñendo que en cada escisión despréndense dous neutróns, na segunda reacción teremos dous átomos de uranio rompéndose simultaneamente, e cada un deles liberará a súa vez outros dous neutróns. E así sucesivamente. A isto denomínase reacción en cadea.

Para evitar unha liberación descontrolada de enerxía, como ocorre nas bombas atómicas, empréganse como veremos as barras de control que reducen o número de neutróns que poden provocar novas fisións.

4.1.1.1 - CENTRALES NUCLEARES

Os elementos máis importantes de calquera central nuclear son: o reactor nuclear, o xerador de vapor/refrixerador e o edificio de almacenamento e manipulación. O reactor nuclear consta de tres partes: tubos de aceiro inoxidable nos que introducimos o combustible, o moderador que reduce a velocidade dos neutróns e as barras de control que regulan a cantidade de escisións (reaccións nucleares) por unidade de tempo, e polo tanto a potencia do reactor. Si as barras están totalmente levantadas producirase unha reacción en cadea e si están introducidas no núcleo a reacción detense. Por ser o reactor a parte da central máis perigosa, todo o conxunto vai recuberto mediante tres barreiras de seguridade: unha exterior de formigón armado, unha central de aceiro e a interior tamén de formigón armado. En canto o xerador de vapor/refrixerador, o núcleo do reactor está rodeado por un líquido refrixerante (xeralmente auga) que ten por misión a de evacuar o calor e transformalo en vapor de auga para conducilo ás turbinas que van a xerar enerxía eléctrica. Por último, no edificio de almacenamento e manipulación, o combustible é almacenado en piscinas de formigón, recubertas cunha prancha de aceiro e cheas de auga. Neste lugar tamén almacenamos o combustible xa utilizado ata que é trasladado a un centro de reprocesamento ou a un depósito de almacenamento definitivo.

4.1.1.2.- PRODUTOS DA FISIÓN NUCLEAR

No momento de escisión do núcleo, a enerxía liberada propágase en forma de radiacións e crea partículas nucleares. As máis importantes son:

- Radiación alfa ( α ): está formada por partículas con carga eléctrica positiva e máis concretamente por núcleos de helio. Poden deterse por unha simple folla de papel ou pola pel do corpo humano.

- Radiación beta ( β ): está composta por unha corrente de partículas semellantes ós electróns procedentes do núcleo atómico e libéranse ó producirse a escisión. Poden deterse cunha folla de metal ou unha lámina de madeira.

- Radiación gamma ( γ ): non ten carga pois non son desviadas por nin campo magnético ou eléctrico. Detéñense cunha placa grosa de chumbo ou parede de formigón.

- Neutróns: están formados por partículas do núcleo atómico e non posúen carga. A auga é un excelente blindaxe fronte a eles.

4.1.1.3.- A FISIÓN NUCLEAR E O MEDIO AMBIENTE

O emprego da enerxía nuclear por fisión implica unha serie de riscos. Os máis importantes son: risco de explosións nucleares nas centrais, fugas radioactivas e exposición a radiacións radioactivas. Estes efectos poden provocar ós seres vivos mutacións, tanto ós presentes como ás futuras xeracións.

4.1.2.- FUSIÓN NUCLEAR

Consiste nunha unión de dous núcleos de átomos lixeiros para formar un núcleo nova máis pesado co desprendemento de gran cantidade de enerxía (figura 7). Os átomos dun gas están sempre en movemento desordenado, chocando uns contra outros. A medida que se quentan aumentan a súa velocidade. Si a velocidade aumenta a varios miles de quilómetros por segundo, poden vencer a mutua repulsión dos seus núcleos e así fundirse ó chocar, xerando un novo átomo. Isto libera gran cantidade de enerxía en forma de calor. Actualmente as reacción termonucleares que liberan maior cantidade de enerxía son as que teñen lugar entre os núcleos do hidróxeno, concretamente entre os seus isótopos deuterio (2H) e tritio (3H) para formar helio. Ademais presentan a vantaxe de que o deuterio e o tritio poden obterse do hidróxeno, e este da auga doce ou da auga do mar, sendo pois unha fonte inesgotable de enerxía.

De momento este tipo de enerxía está en fase experimental. Son varios os problemas que presenta:

Quentar o gas a temperaturas moi elevadas, de 100.000.000 ºC para iniciar a reacción e tres veces máis para manter durante varios segundos a reacción e poder aproveitar a enerxía liberada.

Dispoñer dun recipiente que poida soportar estas altísimas temperaturas o tempo suficiente para que se produza a fusión e libere a enerxía. A temperatura superiores a 100.000 ºC todos os átomos están ionizados, é dicir, perderon os seus electróns. Así o gas está formado por átomos con carga positiva e electróns libre cargados negativamente. A este estado denomínase plasma. Si o plasma o colocamos nun recipiente normal, arrefríase rapidamente e as paredes do recipiente volatilízanse instantaneamente.

Sacar a enerxía liberada e transformala en electricidade.

Si se puidera obter este tipo de enerxía as vantaxes serían:

Poucas posibilidades de que tivera lugar unha catástrofe dado que a masa que é necesaria é moi pequena.

Os subprodutos obtidos son menos radioactivos e teñen unha vida máis curta. As materias primas son fontes practicamente inesgotables. Ademais non é un

proceso radioactivo.