RECURSOS ENERGÉTICOS Y MINERALES Ciencias de la Tierra y Mediambientales 2º Bachillerato I.E.S Juan García Valdemora Cristina Martín Romera Energía: Se define como la capacidad de producir un trabajo. También se puede definir como la capacidad que tienen los cuerpos para producir o sufrir transformaciones. La unidad en que se mide la energía es el Julio. Leyes: a) Conservación de la energía. La energía ni se crea ni se destruye, sólo se transforma. Además se puede también almacenar, transferir y degradar. b) Incremento de la entropía. En cada transferencia, la energía se transforma y suele pasar de una energía más concentrada (ordenada y de menor entropía) a otra menos concentrada (menos ordenada y mayor entropía). Introducción E. convencionales: Son las más usadas y son las derivadas de los combustibles fósiles. E. renovables: Aquellas que en un principio son inagotables ya que su capacidad de regeneración es alta en relación al tiempo de vida humana. (solar) E. alternativas: son energías de menor impacto ambiental aunque no sean ni tan nuevas ni a veces muy renovables. (Hidroeléctrica) Recursos minerales: En general recursos no renovables. Extracción de menas metálicas. Algunos tipos de energía El uso que vamos a dar a los diferentes tipos de energía va a venir condicionado por varios aspectos: A) Calidad de la energía: Está en relación con la cantidad de energía concentrada por unidad de volumen. Calidad Tipo de energía Utilidad Muy alta TEP Electricidad, Térmica, Luz solar concentrada, Nuclear Industria, iluminación, motores. Alta TEC Térmica, Gasolina, gas natural, carbón, Comida Industria, iluminación, motores Moderada Luz solar, flujo agua, Vientos fuertes, biomasa, Térmica hasta 1000º C Vapor, electricidad y agua caliente Baja Térmica a bajas Tª, agua y vientos flojos, Geotérmica dispersa Calentamiento de casa y locales Uso de la energía B) Rentabilidad económica: Viene indicada por su accesibilidad, facilidad de explotación, transporte, cantidad, C) Los sistemas energéticos son el conjunto de procesos involucrados desde la fuente energética hasta sus usos finales. Se establecerá una cadena que conllevará la degradación de parte de la energía en cada una de las fases. Proceso de captura – P. transformación – Transporte – Consumo Sistemas energéticos D) Rendimiento energético de un sistema, es la relación entre la energía suministrada y la que obtenemos de el sistema. E) Coste energético. Precio que pagamos por utilizar la energía secundaria. Costes directos y costes ocultos (construcción, mantenimiento, impactos, …) A. - - - - - CARBÓN Se forma por la acumulación de restos vegetales en el fondo de superficies encharcadas que en ausencia de oxígeno sufrieron un proceso de transformación (celulosa y lignina). Para que se produzca esta transformación los restos orgánicos deben ser enterrados bajo materiales impermeables que los aísle del medio. Cuánto más tiempo duren las transformaciones el carbón formado estará más enriquecido en carbón y tendrá mayor poder calorífico. Por orden de menor a mayor son: turba (Cuaternario), lignito (Mesozoico), hulla y antracita (Paleozoico). Éxplotación a cielo abierto o en profundidad (más común) http://images.google.es/imgres?imgurl=http://www.geovirtual.cl/MVgeo/CarbonPuq01gr.jpg&im grefurl=http://www.geovirtual.cl/MVgeo/0313Carbon01.htm&usg=__bTZGKzDI_tuvo7JHn3hcFH jvBnU=&h=520&w=750&sz=89&hl=es&start=3&um=1&itbs=1&tbnid=TnSjV1NF68WwM:&tbnh=98&tb http://newton.cnice.mec.es/newton2/Newton_pre/escenas/trabajo_energia/carbon.php http://www.iesmariazambrano.org/Departamentos/flash-educativos/carbon.swf Energías convencionales Combustibles fósiles - Carbón B. PETRÓLEO - Se originó por la muerte masiva del plancton marino, debido a cambios bruscos de temperatura o salinidad. - La materia orgánica se convierte en hidrocarburos por un proceso de fermentación y los cienos y arenas se convierten en la roca madre que albergará a los hidrocarburos, las llamadas rocas almacén. - Para su formación la materia orgánica debe ser tapizada por materiales impermeables que permitan la fermentación. - El petróleo se extrae en forma de crudo, y para su utilización ha de pasar por un proceso de refinamiento denominado destilación fraccionada mediante la elevación de temperatura. http://newton.cnice.mec.es/materiales_didacticos/petroleo/petrol eo.swf - http://www.slideshare.net/abelrodas/tipos-de-trampas-de-salida - Combustibles fósiles - Petróleo Procede de la fermentación de la materia orgánica acumulada entre los sedimentos. Es una mezcla de hidrógeno, metano, butano, propano, … Su extracción es muy sencilla y por lo tanto económica. Su transporte se realiza mediante gaseoductos o bien licuándolo y transportándolo en barcos. Problemas de escapes. - Se usa en los hogares y se empieza a utilizar en las centrales térmicas ya que es menos contaminante . - Parece ser que se trata del combustible ideal hasta la transición a las energías renovables. Combustibles fósiles – Gas natural La energía nuclear ha pasado de ser considerada como panacea de los problemas energéticos del mundo a convertirse en una fuente de energía problemática y controvertida. A) Reacción de fisión. Reacción en cadena. Energía nuclear B) Funcionamiento: El más común es el refrigerado por agua ligera. Presentan tres circuitos independientes entre sí, para evitar que la radiactividad salga. -Primario: El agua se calienta -Secundario: El agua en estado líquido pasa a vapor -Terciario: Vuelve a licuar el agua del circuito secuandario. Energía nuclear Centrales nucleares en España Las emisiones que producen los materiales radiactivos son agente mutágenos muy activos que originan tumores y cánceres de diversos tipos. La contaminación se puede producir en diferentes estapas: a) Durante la extracción y concentración de minerales de uranio, pueden dispersarse y difundirse partículas radiactivas en la atmósfera o en las aguas superficiales o subterráneas. b) En el transporte del combustible nuclear. c) Durante su funcionamiento. Fusión del núcleo del reactor con la consecuente explosión. Contaminación radiactiva El combustible nuclear tiene una vida útil de 12 a 24 meses. La producción de residuos es un problema fundamental de las centrales nucleares, porque son muy activos y con una vida media de hasta 100.000 años. Lo más frecuente es almacenarlos, al principio, en piscinas refrigeradas en las propias centrales aunque posteriormente hay que buscarles una ubicación definitiva. Enterrarlos en zonas estables de la corteza oceánica intraplaca, pero la solución más aceptada es el Almacenamiento Geológico Profundo en zonas cuya estabilidad geológica está garantizada durante decenas de miles de años. El Cabril (Córdoba) es el único cementerio nuclear español, acondicionado para materiales de baja y media actividad (con una vida máxima de 300 años). En España no ha y cementerios de residuos nucleares de alta actividad, por lo que el gobierno actual se está planteando la construcción de uno de ellos ATC (Almacén temporal centralizado), ya que expira el contrato con Reino Unido y Francia de enviarles los residuos de este tipo generados en España. Los residuos radiactivos y su gestión Ventajas -Energía muy rentable energéticamente lo que hace disminuir la dependencia externa de los países que carecen de combustibles fósiles. -No produce emisiones de gases de efecto invernadero. Inconvenientes -Funciona con recursos no renovables que ocasionan dependencia tecnológica en los países menos desarrollados. -Produce contaminación térmica en los ríos y lagos utilizados para la refrigeración. -Producen contaminación radiactiva. Ventajas e inconvenientes de la energía nuclear Se produce al capturar el agua impulsada por la energía potencial y transformarla en energía eléctrica. Es de bajo coste y de mínimo mantenimiento. No emite contaminación y favorece el caudal de los ríos. Presenta algunos aspectos negativos como, reducción de diversidad biológica, dificultad de emigración de los peces, modificación del nivel freático, eutrofización de sus agua, colmatación, roturas, . Comienzan a instalarse pequeñas hidroeléctricas que permiten atender más adecuadamente a las demandas. http://www.consumer.es/w eb/es/medio_ambiente/en ergia_y_ciencia/2004/08/0 9/140155.php Energía hidroeléctrica Arquitectura bioclimática: El objetivo de la arquitectura bioclimática es conseguir que el edificio se adapte a su entorno, conseguir con el propio diseño del edificio la máxima eficiencia energética posible. El diseño, la orientación, el espesor de los muros, el tamaño de las ventanas, los materiales de construcción y el acristalamiento son algunos de los elementos de la arquitectura solar pasiva. Energías alternativas procedentes del Sol. Sistemas arquitectónicos pasivos. - Se utiliza el calor procedente del Sol para la producción de electricidad para lo que hay que capturar y concentrar la luz solar mediante un colector. Disco parabólico Espejo cilindroparabólico Espejos planos móviles El calor concentrado se utiliza para calentar el aceite que pasa por un circuito. Este calienta a otro circuito de agua transformándolo en vapor que es el que mueve la turbina….. Centrales térmicas solares Se convierte directamente la luz del Sol en electricidad para lo que se utiliza un material semiconductor (silicio) que al absorber fotones proporciona una corriente de electrones, esto es, una corriente eléctrica. Ventajas -No contamina. - Sus instalaciones necesitan un mantenimiento mínimo y no requieren agua. - La radiación solar en España media es de 1500 kv/hora por cada metro cuadrado al año por lo que debería ser un país pionero en su utilización. Inconvenientes -La fabricación de las células es cara. - Se necesita bastante espacio para su instalación. - Genera impacto visual - Variabilidad en su producción - La generación de energía fotovoltaica es España se multiplicó por cinco durante 2007 pasando de los 100 MW a los 500 MW. Centrales solares fotovoltaicas Centrales solares fotovoltaicas Inaugurada en Puertollano una planta solar termoeléctrica pionera en Europa La central, de 50 MW de potencia, producirá anualmente la electricidad equivalente al consumo de 100.000 familias y evitará la emisión a la atmósfera de al menos 42.000 toneladas de CO2. España, la primera potencia europea en tecnología termoeléctrica, tendrá 233 MW instalados a final de este año y 730 MW en 2010, superando con creces los objetivos propuestos en el Plan de Energías Renovables 2005/ 2010. Andalucía ha triplicado en el primer semestre del año su potencia solar fotovoltaica instalada y en funcionamiento que alcanza los 153 megavatios conectados a red, que se traducen en 229.380 megavatios de energía final, el equivalente al consumo eléctrico anual de más de 45876 viviendas. (Agosto de 2008) Noticias La biomasa como fuente energética comprende todo tipo de materia orgánica susceptible de ser usada como combustible, esto es, residuos forestales, desechos agrícolas, desechos animales (excrementos) y basura. Ventajas Inconvenientes - Es un recurso renovable. - Posee un balance cero de emisiones de CO2 pues emite la misma cantidad que absorbió durante el proceso de fotosíntesis. - Puede reducir el riesgo de incendios (limpieza de restos). - El transporte es caro debido al volumen por lo que conviene realizar la transformación energética en las inmediaciones de donde se obtiene. La biomasa como fuente de energía presenta dos modalidades de uso: - Biomasa energética: quemada directamente - Biogás y biocombustibles: transformada en otros combustibles. Energía de la biomasa biomasa energética – biogás- biocombustibles Basada en la quema directa de la biomasa. Se utiliza para la calefacción y agua caliente en viviendas aisladas o edificios públicos a partir de residuos forestales, cáscaras de almendras, huesos de aceituna, pélets o briquetas. Se utiliza también para centrales térmicas de biomasa que funcionan como las tradicionales pero sin combustibles fósiles. Iberdrola ha puesto en marcha un proyecto piloto para determinar las posibilidades del uso de biomasa para la co-combustión en centrales térmicas de carbón, tras la firma de un convenio de colaboración con el Ministerio de Medio Ambiente, la Consejería de Medio Ambiente de la Comunidad de Castilla y León y el Instituto para la Diversificación y el Ahorro Energético (IDAE). (2008) Biomasa energética Combustible gaseoso formado por un mezcla de metano, dióxido de carbono y otros gases en pequeñas proporciones (hidrógeno, nitrógeno y H2S). Se obtiene por la fermentación anaerobia de residuos orgánicos biodegradables en el interior de un digestor. Produce mucho menos CO2 que otros combustibles como los derivados del petróleo, y sobre todo el carbón. Además es un combustible que se quema más limpia y eficazmente. La razón por la cual produce poco CO2 es que el principal componente, metano, contiene cuatro átomos de hidrógeno y uno de carbono, produciendo 2 moléculas de agua por cada una de CO2, mientras que los hidrocarburos de cadena larga (líquidos) producen sólo 1 molécula de agua por cada 1 de CO2 (recordemos que el calor de formación del agua es muy alto). Biogás España, una posible potencia mundial en biogás Son carburantes líquidos que proceden de la transformación de la biomasa mediante procesos químicos. Son el bioetanol y el biodiésel. Bioetanol: Se obtiene por fermentación alcohólica y posterior destilación y deshidratación de vegetales ricos en almidón o en sacarosa. Resulta un combustible similar a la gasolina con la que se puede mezclar tras realizar una adaptación en los motores de los vehículos. Al igual que el biogás el balance total de CO2 emitido a la atmósfera es inferior que el emitido por los combustibles fósiles. (Mirar el gráfico de la página 337). Biodiésel: Se obtiene a partir de aceites vegetales: colza, girasol, soja, palma, ricino, cultivados con este objetivo y también con aceites de fritura usados y grasas minerales. Tras ser sometido a un proceso de esterificación metílica puede utilizarse en motores diésel adaptados o bien si se refinan en cualquier motor mezclado con otros derivados de los combustibles fósiles. Supone una drástica reducción de las emisiones de CO2. Biocombustibles Bioetanol - Biodiésel PRODUCCIÓN DE BIOETANOL POR DISTRIBUCION MUNDIAL DE LA PRODUCCION DE BIOETANOL (MILL. M3)ORIGENES DE MATERIAS PRIMAS (%) OTROS 5% A F R IC A ; 0 ,6 0 ; 1% O T R O S A S IA ; 1 ,1 0 ; 2 % R E S TO M U N D O ; 2,50 ; 5% IN D I A ; 1 ,7 0 ; 4 % C H IN A ; 3 ,8 0 ; 8 % B R A S IL ; 1 6 ,7 0 ; 37% U E -2 5 ; 3 ,0 0 ; 7 % C E R E AL E S 40% E E .U U .; 1 6 ,6 0 ; 36% C AÑ A D E AZ U C A R Y M E L AZ AS 55% Estados Unidos y Brasil los principales productores Ventas Bioetanol en España 2005 (Tn) 63.033 Mercado nacional Exportación 176.456 2º productor después de Francia de la UE Datos bioetanol Producción mundial de bioetanol Principales productores Biodiesel, 2005 Producción (mill. Litros) Alemania 1.920 Francia 511 Estados Unidos 290 Italia 227 Austria Principales plantas productoras Cpacidad (tn/año) Tipo aceite Bionet europa (Tarragona) 50.000 Usado Bionor (Álava) 30.000 Nuevo importado 83 Ventas Biodiesel en España 2005 (Tn) Acciona Biocarburantes (Navarra) 35.000 Nuevo importado Coop. Acor – Proyecto (Valladolid) 66.000 160-170.000 tn colza (100.000 has.) Datos biodiésel 29.963 41.721 Mercado nacional Exportación Pueden suponer un ahorro de hasta un 50% de las emisiones de CO2 respecto a los combustibles fósiles. Durante el proceso de obtención se producen otros impactos ambientales (consumo de agua para el riego, gasto de combustible en maquinaria agrícola, transporte de la materia prima, ….) Otro problema deriva de que los cultivos alimentarios son sustituidos por cultivos de biocombustible (subvenciones), por lo que se encarecen algunos productos. Pérdida de la biodiversidad por deforestación con la finalidad de sustituir los bosques por cultivos de palma aceitera. Idea prometedora, producción de biodiésel a partir de algas, crecen más rápidamente, contienen hasta un 50% de su peso en aceite y su cultivo puede ser un buen sumidero de CO2 Ver imágenes de satélite del libro (pag 338) http://www.dailymotion.com/video/x2qvhr_biocombustibles-en-informe-semanal_news http://www.rtve.es/noticias/20091228/biocombustibles-semilla-discordia/308387.shtml Debate social biocombustibles Debido a su abundancia en la Tierra se le considera el combustible eterno. Su combustión no produce CO2 sólo agua. Puede ser transportado por los mismos gaseoductos. Su proceso de formación implica un consumo de combustibles fósiles y por lo tanto una emisión de CO2 a la atmósfera. El mecanismo ideal sería a partir de la electrolisis pero es un proceso caro y se tendría que estudiar de dónde procede la electricidad utilizada para el proceso. Pilas de hidrógeno: Utilizadas Por la NASA para proporcionar energía a los satélites artificiales. El hidrógeno como combustible A continuacíon podemos ver una comparativa con sus ventajas y sus inconvenientes de los candidatos a sustituir al petróleo a la hora de impulsar nuestros vehículos. Biodiesel: ◦ Ventajas: No emite azufre, es rápidamente biodegradable y se puede usar sin adaptar el motor, por lo que es muy fácil de adaptar a nuestras costumbres. Además ayuda en la lubricación del mismo. ◦ Inconvenientes: La mezcla gasóleo-aceites vegetales es menos estable y se congela antes, por lo que en países con bajas temperaturas es difícil de adoptar. Aumento en las emisiones de NOx Etanol: ◦ Ventajas: Aumenta el rendimiento del combustible y mejora las prestaciones del motor. Emite menos monóxido de carbono. ◦ Inconvenientes: Es más volátil y corrosivo, y en altas concentraciones exige adaptar el motor. Biogás: ◦ Ventajas: Cuando se obtiene de desechos permite aprovechar un residuo ◦ Inconvenientes: Produce menos energía por unidad de volumen y plantéa dificultades de almacenamiento y distribución Hidrógeno: ◦ Ventajas: Produce más energía por unidad de volumen y sólo emite vapor de agua ◦ Inconvenientes: Su producción con energías renovables, aún no es viable Híbridos: ◦ Ventajas: Ya están disponibles. Ahorran gasolina al generar su propia electricidad ◦ Inconvenientes:Las baterias encarecen el producto. No prescinden totalmente de la gasolina. Ventajas e inconvenientes de los candidatos a sustituir al petróleo. Los aerogeneradores acoplados a un generador transforman la energía mecánica en energía eléctrica. Ventajas - No emite contaminación alguna. -Es una fuente de energía económicamente competitiva. eléctrico Inconvenientes -Impacto visual. -Muerte de aves -Incremento de la erosión por que se seca el suelo. -Ruido -Producción variable. La energía eólica aumentó su peso en España un 46% en febrero de 2010, en comparación con el año anterior. Ormazabal apuesta por Estados Unidos en su expansión en el negocio de la energía eólica CLM lidera entre las CCAA la producción de energía renovable de Iberdrola En el primer trimestre de 2010, cuando Iberdrola ha registrado en España su récord histórico en producción de energía eólica, en Castilla-La Mancha ha superado la producción de 1.320 millones de kilovatios hora (kWh). Energía Eólica Energía que resulta del aprovechamiento de la energía cinética que resulta tanto de la entrada como salida de agua para mover una turbina que hace girar el generador convirtiendo la energía cinética en eléctrica. Sólo se podrá establecer en los lugares donde las mareas son muy marcadas. En España en el Atlántico y el Cantábrico. Energía mareomotriz La fuente de energía que se utiliza es el calor interno de la Tierra. En las zonas volcánicas es posible utilizar la energía geotérmica para obtener vapor de aguay agua caliente. El vapor mueve la turbina que conectada a un generador transforma la energía cinética en eléctrica. Los principales productores son EE.UU, Filipinas y México. Es una energía limpia pero no renovable. Energía geotérmica Cogeneración: Producción combinada de dos formas de energía a partir de una única fuente de combustible. Aumentar la eficiencia en el sistema eléctrico: Aumentar el consumo de aparatos eléctricos más eficientes. (Electrodomésticos) Valoración del coste dela energía que consumimos Valoración de los costes ocultos de la energía. Reducción del consumo en los diferentes sectores. Transporte (vehículos privados)– industria (metalurgia)doméstico (calefacción y agua caliente). Medidas de ahorro personales. Uso eficiente de la energía Los recursos minerales han sido ampliamente explotados a los largo de toda la historia. Las técnicas de explotación han evolucionado paralelamente al desarrollo. Se van a clasificar entre recursos metalíferos y no metalíferos. METALÍFEROS: -La industria actual depende de unos 88 minerales diferentes. -Se extraen a partir de yacimientos, bien a cielo abierto o en profundidad. -Mineral (mena) _ roca (ganga). -La explotación de un mineral depende de: su interés económico, coste de la extracción, demanda, … -Las reservas de minerales es la cantidad de mineral cuya explotación resulta rentable económicamente. Mirar la tabla del libro 13.5 dela página 348 Recursos minerales - Metalíferos Es un metal muy abundante en la corteza terrestre. Se encuentra en el mineral bauxita. Por sus propiedades, resistente a la corrosión, fácilmente reciclable, ligero y maleable se utiliza como materia prima de diversos productos, botes de refresco, cables, aviones, ….) Impactos ambientales: Desforestación y pérdida de biodiversidad por la destrucción de los hábitats naturales en los que hay bauxita (suelos lateríticos): Brasil, Ecuador, Indonesia, India, …. - Aumento de las diferencias sociales entre norte y sur, productores y comercialización. - La obtención del aluminio por electrólisis es el proceso tecnológico que más energía consume. - El aluminio Minería a cielo abierto Destruye y altera la superficie del terreno, dejando abandonados gran cantidad de desechos que producen un fuerte impacto paisajístico. Requiere de numerosas pistas de acceso y carreteras, lo que implica importantes desbrozamientos. Explosiones, agrietamientos, deslizamientos de laderas, ruido y polvo que afecta a la vegetación próxima a las canteras y contamina el aire. Al alterar la cobertera vegetal se produce una intensa desertización, lo que aumenta el peligro de inundaciones, sobretodo si se trata de zonas con fuertes pendientes. La contaminación del agua es muy probable, ya que en las escombreras que quedan a cielo abierto se filtra agua de lluvia hacia los acuíferos subterráneos, o se arrastran materiales hacia los ríos y lagos. Cambios en la morfología y en el paisaje. Impactos creados por la minería Altera menos de una décima parte del terreno que la minería a cielo abierto y produce menos impacto visual y material de desecho. Es más peligrosa y cara que la de superficie. Los accidentes son muy frecuentes y las enfermedades profesionales tienen más incidencia. Es frecuente que las áreas de tierra que están encima de las galerías se colapsen o hundan, causando que las carreteras y caminos se deformen, las tuberías se agrieten, las vías de ferrocarril se encorven, …. Se produce menos filtración de contaminantes hacia los acuíferos subterráneos. La legislación española obliga a las empresas a afectuar una evaluación de impacto ambiental previa a la construcción deuna mina y, una vez abandonada la explotación, a llevar a cabo un plan de restauración del paisaje. Las compañías mineras incluyen estos gastos en sus cálculos sobre rentabilidad de la explotación. Minería subterránea Minerales usados como fertilizantes, fósforo, nitrógeno y potasio. (Apatito y sales marinas) Rocas empleadas en la construcción. Se denominan áridos. Bloques de piedra: Se basa en el empleo de piedras extraídas de las canteras situadas en el entorno del lugar de la construcción. Rocalla: Roca triturada que se usa para construir el firme de las carreteras, en las vías de ferrocarril y para fabricar hormigón. Arena y grava: Se extraen de las graveras y suelen ser cauces de ríos, playas o flechas litorales. Originan grandes impactos como, se abandonan cultivos de las vegas de los ríos, se remueve el suelo y se aplasta, se puede llegar a alcanzar el nivel freático reduciendo las reservas hídricas de la zona, se pueden llegar a utilizar como vertederos clandestinos. Cemento: Mezcla de caliza y arcilla. Yeso: Resulta de calcinar esta roca para que pierda el agua. Arcillas: Se emplean para la fabricación de ladrillos, baldosas, azulejos, … Vidrio: Derritiendo a 1700ºC arena de cuarzo, sosa y cal, … Recursos minerales no metalíferos