Recursos energéticos y minerales

Recursos energéticos y minerales
Energía
Capacidad de realizar trabajo
Los intercambios de energía se rigen por las leyes
de la termodinámica:
1.
Ley de conservación de la energía.
2.
En todo intercambio espontáneo de energía, la
entalpía aumenta.
Clasificación de la energía
Energías renovable
Limpias
Eólica
Hidráulica
Geotérmica
De las mareas
Del oleaje
Maremotérmica
Solar
Energías no renovables
Contaminantes
Biomasa
Contaminantes
Combustibles fósiles:
•Carbón
•Petroleo
•Gas natural
Energía nuclear
Tipos de energía según su calidad
Es de mayor calidad la energía más concentrada,
es
decir,
tiene
mucha
capacidad de producir trabajo en relación a su
masa o volumen. Por ejemplo: petróleo, carbón.
Es de menor calidad la energía dispersa en
grandes volúmenes:
Porejemplo: el calor almacenado en los mares,
los vientos suaves.
Calidad de la energía
Calidad
Tipos de energía
Utilidad
Muy alta
Electricidad térmica (>2500ºC),
nuclear , luz solar concentrada.
Industria, iluminación, motores
Alta
Térmica (1000-2500ºC)
gasolina, gas natural, carbón
Industria, producir electricidad,
vehículos
Moderada
Térmica (100-1000ºC), luz solar, Procesos industriales sencillos,
agua a alta velocidad, viento fuerte, cocinar, obtener electricidad, agua
madera, restos orgánicos
caliente, vapor
Baja
Térmica (<100º), agua a velocidad Calentamiento de edificios
lenta, viento suave, geotérmica
dispersa.
Calidad de la energía
Las energías más concentradas son las de más fácil utilización.
Pero no por eso deben utilizarse siempre, pues supone costes
elevados en el proceso de concentración.
El uso de energía de cierto nivel corresponde la tarea concreta
que realicemos: si usamos energía de un nivel superior
estamos despilfarrando.
Rentabilidad económica. El precio es un factor muy
importante al elegir la fuente energética, pues usaremos la
más barata, depende de: su accesibilidad, extracción y
transporte.
Sistema energético
Sistema energético
Es un conjunto de procesos realizados sobre la energía desde
sus
fuentes
hasta
el
uso
final.
Fases: 6
1. Captura o extracción: conseguir la energía de su fuente
original, como por ejemplo perforar un pozo petrolífero.
2. Transformación en energía secundaria, que es la energía
que se puede utilizar, como por ejemplo en una refinería.
3. Transporte de la energía secundaria hasta el lugar de
consumo. Por ejemplo: gaseoducto, camiones cisterna.
4. Consumo de energía secundaria. Por ejemplo, usar el
coche.
Sistema energético
Convertidor: Componente
del sistema energético que
transforma unas fuentes de
energía en otras, para
facilitar su uso o transporte.
Son convertidores: motor,
presa, caldera…
Cada proceso de conversión
supone pérdida de energía,
con lo que la cadena de
conversión será menos
eficiente cuanto más larga
sea.
Rendimiento sistema energético
Rendimiento = E obtenida / E suministrada
Rendimiento = Salidas / entradas (en %)
• Siempre es menor que 100,ya que la entropía
siempre aumenta (19% en un automóvil).
• Se aplican mejoras técnicas para mejorar los
rendimientos, más si la energía es cara.
Rendimiento sistema energético
Coste energético: Precio que
pagamos por utilizar la energía
secundaria: Recibo de la luz,
precio de la gasolina…
Costes ocultos: Asociados con los
equipos e instalaciones implicados
en
el
proceso
energético:
construcción,
mantenimiento,
desmantelamiento y eliminación del
impacto
Combustibles fósiles
Recurso: Estimación teórica de la cantidad total de un
determinado combustible fósil, que hay en la corteza
terrestre.
Reserva: Cantidad descubierta de un combustible fósil
cuya explotación resulta económicamente rentable.
Combustibles fósiles:
– Carbón: sólido, formado por fermentación de restos
vegetales.
– Petróleo: líquido oscuro formado por fermentación de
restos marinos.
– Gas natural: mezcla de diversos gases formados por
fermentación de materia orgánica.
El carbón
• Alto poder calorífico.
• Sus reservas se estiman en 220
años.
• Genera óxidos de S, causantes
de la lluvia ácida, y dióxido de
carbono.
• Se forma a partir de restos
vegetales en el fondo de
pantanos o lagunas, que en
ausencia de oxígeno fermentan,
sin que se pudran.
El carbón
Se extrae de minas que
pueden ser:
– A cielo abierto: generan
menos riesgos laborales y
un gran impacto ambiental,
genera
mucha
contaminación.
– Galerías, con gran riesgo,
que genera enfermedades
y aumenta los costes.
Usos del carbón
• Combustión en la central térmica para producir electricidad (30% de
la E eléctrica mundial.
• Se intenta evitar la contaminación mediante:
– Sustitución de combustible.
– Procesado del combustible.
– Diseño de centrales térmicas más eficientes.
Petróleo
• Se origina por la muerte masiva del
plancton marino y sedimentación
junto a cienos y arenas, dando barros
sapropélicos.
• Los cienos y las arenas dan rocas que
se impregnan de hidrocarburos
(formados por la fermentación de
materia orgánica).
• El petróleo es poco denso y aflora
superficie donde se disipa, pero
cuando
tropieza
con
rocas
impermeables se acumula en las rocas
subyacentes, que sirven de almacén.
Tratamiento del petróleo
Se necesitan diversos
tratamientos para
su uso:
• Extracción.
• Refinado.
• Transporte.
• Distribución.
Tratamiento petróleo
Refinado del petróleo
Es una destilación fraccionada, en la que se separan sus
distintos componentes, que serán sometidos a
tratamientos posteriores:
•
Gases:
–
•
Líquidos:
–
–
–
–
•
metano, etano, propano: Usos en calderas domésticas e industriales.
Gasolina para vehículos.
Nafta, y queroseno: industria química y combustible aviones.
Gasóleos: vehículos diesel y calefacción doméstica.
Fuel: centrales térmicas, para generar electricidad.
Sólidos:
–
Alquitranes, betunes…
Determinados productos se usan para la industria química, fertilizantes,
pesticidas, plásticos, fibras sintéticas, pinturas, medicinas…
Reservas de petróleo
Las reservas mundiales se reparten
así:
• Europa (2%)
• Ex URSS (7%)
• África (9%)
• Asia y Oceanía (4%)
• Oriente Medio (Arabia Saudí
18%;
Irak
11%;
Emiratos Árabes 11%; Irán 10%;
Kuwait 10%; otros 3%).
• América (EEUU 3%; México 4%;
Venezuela 6%, y otros 4%.
Gas natural
• Se produce por fermentación de materia orgánica.
• Compuesto por una mezcla de gases: hidrógeno, metano (alto
efecto invernadero), butano, propano…
• Se extracción es fácil, ya que la presión tiende a fluir de forma
espontanea.
• Se transporta mediante gaseoductos, de bajo riesgo o licuado en
barcos, aunque es de más riesgo.
• Usos:
– Hogar.
– Industria.
– Centrales térmicas: no genera óxidos de N ni S, emite un
65%menos de dióxido de C y es más eficiente que carbón y
petroleo.
• Sería una buena alternativa a otros combustibles, pero sus reservas
se estiman en 20 años.
Energía nuclear
El impacto de un neutrón sobre un núcleo de U235 genera la división del
núcleo que libera: 2 núcleos y neutrones que pueden seguir dividiendo
núcleos: reacción en cadena.
Para controlar la velocidad de reacción, se introduce entre las barras de
combustible nuclear un moderador que absorbe los neutrones y que puede
ser: agua, grafito sólido o agua pesada.
Central nuclear
Central nuclear
1. El material radioactivo está dentro de la vasija
principal, refrigerado por agua (en contacto con el
material radioactivo) que se mantiene en un
circuito aislado. Circuito primario.
2. El circuito secundario: enfría al primero, originando
el vapor que impulsa las turbinas que atacarán la
dinamo que produce la electricidad.
3. El tercer circuito: Tiene como objetivo licuar el
vapor producido en el secundario. Esta agua entra y
sale de un deposito exterior o un río.
Impactos de la energía nuclear
Impactos de la central:
• No
debería
producir
contaminación radiactiva.
• Afecta al microclima local:
aumenta el calor y la
humedad.
• Altera los ecosistemas
acuáticos al elevar la
temperatura del agua (lo
que disminuye el oxígeno
disuelto).
Combustible nuclear:
• Se obtiene del isótopo U-235,
separándolo del uranio nativo y se
enriquece con Pl -239. Se fabrican barras.
• Se utilizan las barras durante unos 3-4
años, hasta que la concentración en
U-235 es demasiado baja como para
mantener la reacción de fisión.
• Se retiran y almacenan en una piscina
dentro del reactor.
• Se transportan a centros de reprocesado,
donde se extrae el plutonio y otros
elementos de vida media corta. ( Aquí
existe el riesgo de robo y de fabricación
de bombas atómicas).
• El resto de residuos seguirán activos unos
10.000 años.
Energía nuclear en España
Energía hidroeléctrica
Las turbinas transmiten
el movimiento del agua
a una dinamo que
transforma la energía
mecánica en eléctrica.
Energía hidroeléctrica
Ventajas:
• Bajo coste y mantenimiento.
• No emite contaminación en su
funcionamiento.
• Permite utilizar el agua en
otros usos.
Inconvenientes:
• Reducción de la diversidad
biológica.
• Dificulta el transporte por los
ríos (seres vivos, nutrientes y
barcos).
• Disminución del caudal de los
ríos.
• Modificación del nivel freático.
• Riesgos geológicos mixtos:
acelera
la
erosión
y
sedimentación y riesgo de
rotura de presas.
• Costes de construcción.
Energías alternativas
Energías alternativas
• Casi todas son renovables y de bajo impacto ambiental.
• Se valora su posible uso atendiendo a:
– Su disponibilidad actual.
– Su coste económico.
– Las infraestructuras necesarias para su uso.
• Algunas de ellas pueden funcionar sólo a pequeña
escala, por lo que hay que planificar su distribución.
• En general dependen del Sol.
Energías solares: sistemas
arquitectónicos
Arquitectura bioclimática
• Aplica las características de la arquitectura popular.
• Tiene en cuenta:
– La orientación.
– Muros aislantes.
– Los materiales de construcción.
– El tamaño de las ventanas y su disposición.
Centrales solares
Térmicas
• Se transforma la energía solar en
eléctrica.
• Se captura la luz y se concentra
mediante un colector:
– Por disco parabólico de espejos que
concentran la luz en un punto central.
– Mediante espejos móviles que siguen al sol
y concentran la energía en una torre.
– Mediante un espejo cilindroparabólico que
dirige la luz hacia un tubo en la línea
central.
• Con el calor se calienta hasta 400ºC el
aceite de un circuito, que a su vez
• Calienta el agua hasta vapor que
moverá la turbina del generador.
Fotovoltaicas
•
•
Se convierte directamente la energía solar en eléctrica: un material
semiconductor (silicio) que al absorber fotones produce una corriente
eléctrica.
Ventajas:
– No produce contaminación, ni ruido.
– Tiene un mantenimiento mínimo.
– No requiere agua.
•
Inconvenientes:
–
–
–
–
Su fabricación es cara.
Necesita mucho espacio.
Genera impacto visual.
Su producción es variable.
Biomasa
Energía de la biomasa
• Comprende todo tipo de materia orgánica que pueda
utilizarse como combustible:
–
–
–
–
Residuos forestales
Desechos agrícolas
Desechos animales
Basura.
• Es potencialmente renovable.
• Tiene un balance 0 de emisiones de dióxido de carbono
(emite lo mismo que almacenó por fotosíntesis)
• Tiene el inconveniente del transporte por lo que tiende a
usarse cerca del lugar de producción.
• Se puede usar:
– Biomasa energética: quemándose directamente.
– Biocombustibles: se transforman en otros combustibles.
Biomasa energética
Se realiza la quema de restos vegetales para:
• Obtener calor y cocinar.(80 % de la energía en países
en desarrollo).
• Obtener energía eléctrica en las centrales térmicas.
Biomasa: Biogás
• Se obtiene por descomposición anaerobia de restos orgánicos,
en un digestor.
• Se genera una mezcla de varios gases: metano (50-70%),
dióxido de carbono
Biocombustible: Bioetanol
• Se obtiene por fermentación alcohólica de vegetales ricos en almidón
(cereales y patatas) o en sacarosa (remolacha y caña de azúcar). Está muy
desarrollado en Brasil.
• Tras destilarse y deshidratarse el combustible es similar a la gasolina y se
puede mezclar con ella, tras una adaptación en los motores.
• Un problema es que cuestan más de arrancar en frío y tiene menor
rendimiento que la gasolina.
• El balance total del CO2 emitido es menor que para los combustibles fósiles,
aunque no es 0; puesto que se genera en el proceso de fermentarlo,
destilarlo y transportarlo.
Biocombustible: biodiesel
Biocombustibles: biodiesel
• Se someten aceites vegetales a una esterificación metílica (con
alcohol y NaOH), con lo que se obtiene un combustible que puede
usarse en motores diesel preparados o se refina y sirven para
cualquier motor diesel.
• Se obtiene a partir de aceites como el de colza, girasol, soja, palma,
ricino o reciclando aceites de fritura usados o grasas animales.
• Su uso supone una reducción de las emisiones de C02, óxidos de
azufre
y
partículas, aunque aumentan las emisiones de los óxidos de
nitrógeno.
• Es biodegradable y menos inflamable que el gasóleo. Desventajas:
los motores cuestan más de arrancar en frío, se reduce la potencia
del motor y aumenta el consumo.
Problemas de los biocombustibles
•
•
•
•
Consumen agua para el riego.
Uso de plaguicidas y pesticidas.
Energía consumida en su producción y transporte.
Se sustituyen cultivos de alimentos por cultivos para
biocombustibles, con lo que aumenta el precio de los alimentos.
• Generan pérdida de biodiversidad, ya que se tala la selva para
cultivar palma aceitera.
Soluciones para uso de
biocombustibles
Se puede evitar utilizar
alimentos si:
• Usar celulosa de la
hierba,
restos
de
cultivos..
• Utilizar algas, puesto
que
tienen
un
crecimiento
muy
rápido, y podrían servir
como sumidero de
dióxido de carbono.
Energía eólica
• Los
aerogeneradores
acoplan la dinamo la
movimiento de las aspas.
• Impactos: visual, ruido,
muerte de aves y
sequedad del suelo.
• Es una electricidad muy
competitiva y funciona
bien asociada a otra
fuente de energía.
Energía mareomotriz
Energía mareomotriz
• Se transforma la energía mecánica del
movimiento del mar durante la marea en energía
eléctrica.
• Se aíslan zonas cerradas de costa en zonas donde
la diferencia de altura en marea sea suficiente (En
España en Atlántico y Cantábrico).
• El movimiento del agua genera movimiento en las
turbinas, tanto al ascender como al descender.
Energía geotérmica
• Utiliza el calor interno de la tierra para obtener vapor de agua
que se acopla a un generador o tomar agua caliente
directamente.
• No es renovable.
• No existen muchas zonas susceptibles de producir.
• Puede producir alteraciones en el subsuelo.
Hidrógeno como combustible
• Es muy abundante y produce el triple de energía que el
petróleo.
• Puede
emplearse
de
2
formas:
– Quemándolo
para
obtener
energía
calorífica.
– En pilas de combustible para obtener electricidad directamente.
• Cuando se quema para obtener energía, produce agua, por
lo que su uso contribuiría a reducir las emisiones de gases
de efecto invernadero.
• El problema actual es que el hidrógeno se obtiene a partir
del gas natural en un proceso en el que se libera CO2.
Hidrógeno como combustible.
1. Producción:
1. Hidrólisis del agua: es
caro y hay que generar
corriente eléctrica.
2. Fotolisis del agua: en
estudio.
2. Transporte:
Mediante
gaseoductos, donde se
transportaría
mezclado
con el gas natural hasta
que se agotase.
Hidrógeno como combustible
• En las pilas de combustible se combinan hidrógeno y
oxígeno y se
obtiene electricidad.
• En el cátodo (polo -) el hidrógeno se rompe dando H+ y
electrones, que son conducidos por un circuito y
producen la corriente eléctrica.
• Los H +van al polo + de la pila (el ánodo) y reaccionan
con el oxígeno y se libera agua.
Energía de fusión nuclear
• Esta
energía
aún
está en fase de investigación
básica.
• La fusión es la unión de núcleos
ligeros para dar otro más pesado,
liberando gran cantidad de
energía, como ocurre en el Sol.
• Para la fusión, se eligen elementos
que den residuos no radiactivos y
que sean abundantes. Por
ejemplo:
Deuterio + tritio = helio +
neutrones + muchísima energía
Ventajas:
• No
genera
residuos
radioactivos.
• Se gastan cantidades muy
pequeñas de deuterio y de
tritio. Por ejemplo, para
obtener la electricidad que
gasta una persona en toda su
vida, harían falta 10g de
deuterio extraídos de 500l de
agua y 15g de tritio extraídos
de 30g de litio.
Fusión nuclear
La fusión sólo puede darse si los núcleos se acercan 1000 veces más de la
distancia normal, lo que requiere temperaturas altísimas: 10 millones de
grados C en el sol y 100 millones en la Tierra, por la diferencia de gravedad.
A estas temperaturas, los átomos están en estado de plasma, que está
formado por sólo los núcleos, sin electrones, y tiene carga +.
No existen materiales que puedan contener un plasma: debe almacenarse en
“botellas magnéticas” (donde queda confinado gracias a fuertes campos
electromagnéticos).
Uso eficiente de la energía
Las medidas aplicadas para el
ahorro de energía son:
• Cogeneración.
• Aumentar la eficiencia del sistema
energético.
• Valorar el coste real de la energía.
• Valorar los costes ocultos.
• Reducir el consumo.
• Medidas personales de ahorro.
Cogeneración
Procesos de producción combinada de dos formas de energía a partir
de un único combustible.
• Permite utilizar prácticamente el 90% de la energía del combustible.
Medidas relacionadas con el uso de la
energía
1. Aumentar la eficiencia del sistema eléctrico. Actualmente se pierde
un 66% de la energía durante el transporte, es decir, que hay que
generar el triple de energía de la que consumimos.
2. Incentivar el ahorro: subvencionar aparatos que consuman menos y
hacer auditorías para detectar pérdidas de energía.
3. Valorar el coste real de la energía que consumimos:
Coste
del
ciclo
de
vida
=
precio
del
aparato + (gasto anual de energía x tiempo de vida estimado)
Sirve
para
valorar
el
ahorro
que
implica
su uso.
4. Valorar los costes ocultos de la energía: meter en el precio de la
energía que se consume todos los gastos derivados de su generación
(descontaminar, calentamiento climático, accidentes nucleares,
tratamiento de residuos…)
Medidas relacionadas con el uso de la
energía
5.
Reducir el consumo por
sectores:
40%
Transporte
(turismos)
32%
Industria
(química,
procesado
de
cemento,
vidrio…)
16% Doméstica (calefacción,
agua caliente)
6.
Medidas de ahorro personales:
–Usar más es transporte público
que
el
privado.
–Arquitectura solar pasiva
(aislamientos…)
–Comprar electrodomésticos de
bajo
consumo.
– Reciclar el vidrio, papel…