Fuentes de energía

I. ENERGÍA Y TRANSPORTACIÓN
I.1. Fuentes de energía
Utilización de carbón como una fuente de energía
Para los años 1890,, el carbón mineral reemplazó
p
la madera
como fuente principal de energía en los Estados Unidos. La
primera central eléctrica de carbón fue construida en 1882, ésta
permitía que una turbina de vapor rotara un generador que
producía electricidad. Posteriormente en 1884, Charles Parsons
desarrolló la turbina de vapor de alta velocidad mas eficiente.
Luego, para los años 1920, el carbón pulverizado aumentó la
eficiencia y redujo el aire necesario para la combustión. El
horno de ciclón del 1940 requirió carbón mineral de baja calidad
y produjo menos ceniza. Recientemente, la tecnología química
ha desarrollado la combustión del “culm” (material de
desperdicio de la minería de carbón) para producir electricidad
y disminuir la contaminación al ambiente.
Charles Parsons
Turbina de
vapor de
Parsons
(1907)
Exploración y producción de petróleo
El descubrimiento del campo de aceite de Spindletop en Tejas en
1901 y la aparición del automóvil ocasionó que el petróleo
superara el uso del carbón como principal fuente de energía para
el 1951. La tecnología química del refinamiento del petróleo
crudo para separar sus diferentes fracciones químicas ha ido
mejorando continuamente, comenzando con la destilación
atmosférica simple y progresando a la destilación al vacío
(presión reducida), a la pirolisis y al uso de catalíticos. La
química ha sido instrumental, primeramente por el proceso de
recuperación de petróleo crudo de las excavaciones con
(“diamond drilling bits y drilling muds”)
además de las
extracciones
t
i
d l aceite
del
it de
d esquisto
i t bituminoso
bit i
( il f
(oil-from-shale)
h l )
utilizando una combinación de sustancias químicas y vapor.
Además del proceso de recuperación secundario que incluye el
bombeo de gas (CO2) a alta presión o soluciones acuosas en la
tierra.
Energía nuclear
El primer reactor nuclear fue desarrollado para uso militar en
1942. Las aplicaciones de la tecnología nuclear para usos
pacíficos, incluyendo la generación de electricidad comenzó en
1951 con el Programa de Átomos para la Paz del Presidente
Eisenhower. Desde entonces, la química ha jugado un papel
importante, produciendo los materiales radioactivos utilizados
como combustible en los reactores, las barras de control de los
reactores que regulan el flujo de neutrones del decaimiento
radioactivo, el reprocesamiento del “spent fuel rods”, el manejo
de desperdicios radioactivos, la protección ambiental y la
minimización de los efectos dañinos de la exposición a la
radiación.
Fuentes de energía alterna
Los llamados métodos verdes de generación de energía, tales
como los molinos hidroeléctricos y geotermales, suplen menos de
un por ciento de la generación de electricidad total en el mundo,
sin embargo, según los economistas y la disponibilidad de recurso
sostenibles, éstos juegan un papel importantísimo que hay que
considerar. A través de la química se ha desarrollado la
infraestructura para fuentes alterna,
alterna tales como,
como los paneles
solares para la generación termal y fotovoltaica, los hélices
livianos de carbono para la generación de viento, las turbinas de
metal y concreto para las plantas hidroeléctricas y materiales
resistentes a la corrosión para el aprovechamiento de fuentes
geotermales.
I. ENERGÍA Y TRANSPORTACIÓN
I.2. Almacenaje de energía eléctrica y fuentes portátiles
Batería de celda seca
de carbono-cinc
Baterías recargables
Baterías
B
t í desechables
d
h bl
El almacenaje de energía eléctrica fue desarrollada por
Alessandro Volta a finales de los años 1700, y la
química ha contribuido desde entonces a los adelantos
de la electricidad con baterías. La celda seca de
carbono-cinc de 1890 mejoró la versión de Leclanché.
Se produjo comercialmente para el uso de las linternas
portátiles y todavía se usan. En 1949, una nueva pasta
alcalina para la batería tradicional mejoró el tiempo de
vida de las baterías y permitió su miniaturización. Esta
batería alcalina inmediatamente se utilizó para los
aparatos eléctricos portátiles y las cámara. Desde
entonces, nuevos modelos de baterías han sido usados
tales como los de óxido de plata, óxido de mercurio o
litio.
Baterías recargables
La batería recargable de plomo-ácido de 1859 fue una
versión comercial temprana en el que se usa una
reacción química controlada que produce electricidad.
Su versión mejorada en 1881 y subsiguientes adelantos
hace que continúe como la mejor batería de uso común
para automóviles y camiones. La primera batería
recargable de níquel-cadmio, construida en 1899, fue
muy costosa para uso comercial. Desarrollos modernos
fueron enfocados en el uso del litio. Después del intento
fallido de utilizar litio metálico en los años 1980, la
batería ión litio se convirtió en la aplicación común para
los teléfonos celulares y las computadoras portátiles
(laptops).
I. ENERGÍA Y TRANSPORTACIÓN
I.3. Materiales para carreteras y puentes
Concreto
La construcción masiva de proyectos en la interestatal
estadounidense de los años 1950 dependió fuertemente de la
dureza y longevidad del concreto para las carretera y los puentes.
El cemento Portland, hecho por primera vez en 1824 y patentado
como concreto reforzado (cemento armado) por el francés,
Joseph Monier en 1877, endurece lentamente “slow-sets” debido
a una reacción química compleja
j en el que la pasta de cemento
rellena los espacios vacíos entre el particulado y otros
revestimientos. Su durabilidad y fuerza depende del control
cuidadoso del proceso de manufactura del cemento. Añadir
distintas sustancias químicas a la mezcla de cemento inicial
puede reducir la contracción y mejora la resistencia a la corrosión.
Asfalto
El asfalto es un material de construcción popular para carreteras por
su costo y cualidades. El asfalto natural se descubrió en 1595, pero
no se mezcló con brea para uso en carreteras hasta 1902. Bitumol o
betún (“Bitumen”), el residuo sólido o semisólido del proceso de
refinería del petróleo rápidamente reemplazó el asfalto natural para
pavimentar las carreteras.
carreteras Recientemente se ha añadido polímeros
sintéticos para mejorar las cualidades y durabilidad del asfalto.
“Superpave” (el acrónimo en inglés de: Pavimentación con asfalto
superior y de alta calidad - “Superior Performing Asphalt
Pavements”) es la última tecnología para convertir el asfalto en un
producto que puede resistir cargas pesadas y condiciones de clima
adversas.
Metales y aleaciones
El acero se ha convertido
con ertido en el material de infraestructura
infraestr ct ra
primaria para los puentes debido a sus cualidades de
fortaleza, poco peso, durabilidad, fácil manejo y
construcción; costos bajo de edificación y resistencia a
desastres naturales como los terremotos. El acero de alta
calidad introducido para los años 1990 tienen una
fortaleza superior y una mejor resistencia a corrosión. Otra
tecnología para la protección de acero en puentes es el
proceso conocido como la metalización “metalizing”
metalizing , en el
cual el aluminio o cinc se rocía sobre la superficie limpia
del acero para formar un revestimiento protector de 30
años.
Mantenimiento y técnicas de reparación
La infraestructura de las carreteras deben mantenerse sin deterioros
significativos en todo tipo de clima y por largos tiempos. Las innovaciones
en la construcción y los materiales de mantenimiento han permitido
intervalos de tiempo mas largos entre reconstrucción de carretera.
carretera
Selladores para el concreto, el asfalto y el acero son importantes para
prolongar la vida útil de las carreteras. Otras sustancias químicas y
materiales poliméricos funcionan como aditivos que unen y mejoran la
calidad de las carreteras. Por ejemplo, el añadir estireno-butadieno-estireno
al asfalto resulta en menos grietas y hoyos en las carreteras asfaltadas.
I. ENERGÍA Y TRANSPORTACIÓN
I.4. Combustibles petroquímicos
Producción de gasolina desde el petróleo crudo
Para mejorar la recuperación de la gasolina del petróleo crudo, las
refinerías inicialmente usaban calor para romper las moléculas
grandes del aceite viscoso en fracciones mas pequeñas utilizando
el proceso conocido como pirólisis “thermal cracking” (1913).
Como altas temperaturas también formaba productos secundarios
indeseables, se usó la destilación fraccionada al vacío que
operaba a temperatura mas baja
j en el 1928. El uso de un
catalítico inerte (“catalytic cracking”) en vez de temperatura altas
para obtener el rompimiento fue desarrollado por Eugene Houdry
en 1936, y rápidamente revolucionó el proceso de refinería de
gasolina en 1937.
Refinería de
aceite
Aditivos para combustible
Los motores de automóviles antiguos “detonaban” cuando se utilizaba
gasolina de poca calidad.
calidad En 1921,
1921 se le añadió tetraetilo de plomo a la
gasolina para que los motores funcionaran con suavidad y
silenciosamente. Para el 1926, se introdujo un índice de octanaje para
medir la calidad de la gasolina (tolerancia de compresión). El uso de
aditivos que contenía plomo se descontinuó en los años 1970 debido a
preocupaciones ambientales. Hoy día, pequeñas cantidades de
sustancias químicas como (alcoholes y éteres) son añadidos a la gasolina
para mejorar el octanaje, mejorar la calidad de la gasolina (desactivadores
de metales) y reducir la fricción y el deterioro del motor (detergentes).
(detergentes)
Aditivos apropiado para distintas estaciones del año son usados en
algunas áreas de preocupación geográficas, como la adición de metanol
para prevenir el congelamiento de las líneas de combustible en áreas de
frío extremo.
Convertidores catalíticos
Los convertidores catalíticos de dos etapas se
introdujeron en 1975 para controlar las emisiones de
monóxido de carbono e hidrocarburos. Luego se introdujo
una tercera etapa para limpiar los óxidos de nitrógeno de
los tubos de escape. La forma en que los convertidores
catalíticos funcionan es produciendo una serie de
reacciones químicas alrededor del metal, usualmente un
catalítico de platino. Los óxidos de nitrógeno se
convierten en gases de nitrógeno y oxigeno, monóxido de
carbono
b
se convierte
i t en dióxido
dió id de
d carbono
b
y los
l
hidrocarburos sin quemar en agua y dióxido de carbono.
Convertidor catalítico
de tres etapas
I. ENERGÍA Y TRANSPORTACIÓN
I.5. Automotriz
Materiales avanzados para diseño, seguridad y
comodidad
El automóvil del siglo 21 no parece en lo absoluto a sus
antecesores, en diseño, comodidad y seguridad para los
pasajeros. Los faros de alta intensidad proveen máxima
iluminación en las noches. La corrosión se ha reducido
dramáticamente por el uso de revestimientos y materiales
especiales. Refrigerantes
g
químicos circulan en un sistema
cerrado. El vidrio de seguridad automotriz se introdujo en
1914. Hoy día, polímeros especiales cubren el vidrio para
reducir su peso y el ruido, además de protección contra la
radiación ultravioleta y el brillo. Innovaciones en seguridad
incluyen fibras polimerizadas para los cinturones de
seguridad (requeridos en los años 1960) y bolsas de aire
(requeridos en 1996).
Componentes de plástico
Gracias a los adelantos químicos ha ocurrido, la reducción del
peso de los automóviles al realizar la transición de metales a
plásticos e identificar materiales de alto rendimiento. Después
de la Segunda Guerra Mundial los manufactureros de
automóviles comenzaron a utilizar polímeros sintéticos a base
de petróleo para los componentes estructurales rígidos por su
dureza, tenacidad y resistencia al clima. Después de la crisis
energética del 1970 se buscó un reemplazo de metales, a
materiales de poco peso para mejorar la eficiencia. Las
aplicaciones de diseño incluyen: caja de auto complejas
fabricadas
por
moldeo
de
inyección,
parachoques
termoplásticos, fibras de polipropileno que son estable a la luz
ultravioleta y fácil de colorear y pinturas especiales,
revestimientos, además de adhesivos.
Fibras de polipropileno
Tecnología de neumáticos
Productos de hule natural apareció a principio de los 1800,
pero fue impráctico por su suavidad o fragilidad en climas
calientes o fríos. Un inventor americano, Charles Goodyear
desarrolló el proceso de vulcanización para el hule natural en
1839, al entrecruzar el polímero con azufre. Todavía se utiliza
este proceso básico pero se añade acelerante químicos y
estabilizadores. Para 1945, el gaucho sintético se estaba
produciendo comercialmente. Según aumentaba la demanda,
se introducían otros materiales incluyendo el tubo interno para
reemplazar el neumático de hule sólido, revestimiento con
fibra natural o sintética para fortaleza, aditivos para reducir el
deterioro por uso y eventualmente entró en servicio el
neumático sin tubo interno.
I. ENERGÍA Y TRANSPORTACIÓN
I.6. Aeronáutica
Globos aerostáticos o de aire caliente (“hot air
balloons )
balloons”)
Desde 1783, cuando el primer humano voló en un
globo impulsado con aire caliente proveniente de una
flama, las innovaciones para los globos de aire caliente
ha sido revolucionario. El aire caliente rápidamente fue
reemplazado por hidrógeno, que era mas fácil de
manejar. Vuelos en globos aerostáticos se han
convertido en un deporte popular con mas de 5000
pilotos de globos en Estados Unidos. La química ha
contribuido con el material de nilón duradero,
económico y resistente al calor, además de la
tecnología del propano liquido utilizado para la
propulsión del globo.
Helio
Aunque los globos propulsados por hidrógeno, como el famoso
Hindenburg (1937), tenía una estructura sólida, la inflamabilidad
del hidrógeno siempre presentó un peligro de seguridad. En
1905, dos químicos descubrieron helio natural en un pozo en
Kansas y este elemento raro de pronto se encontró en plenitud.
Durante la Primera Guerra Mundial la tecnología química extrajo,
almacenó y exportó grandes cantidades de helio. En los años
1950, helio se utilizaba para soldaduras durante la construcción
de cohetes y como propulsión de combustible para los cohetes o
misiles “rockets”.
Desastre del Hindenburg (1937)
Combustibles para cohetes
Desde las primeras pruebas de lanzamiento de cohetes en los
1920, a los satélites de comunicación de los años 1950, a las
aeronave espaciales reusable de los años 1980, el lanzamiento
al espacio del ser humano es la hazaña mas asombrosa de la
ingeniería. El exitoso viaje al espacio depende de la alta
velocidad de propulsión que posee el cohete para superar la
fuerza gravitacional de la Tierra. El primer cohete que se lanzó
en 1926 utilizó combustible líquido de gasolina y oxígeno líquido
como oxidante. Posteriormente, se ha utilizado varios
combustibles líquidos y sólidos. La aeronave espacial (“Space
Shuttle”) utiliza hidrógeno líquido como combustible pero el
motor de lanzamiento usa un combustible sólido de aluminio y
perclorato de amonio como oxidante/enlazante (oxidizer/binder).
Materiales de construcción para aviones y cohetes
Según el diseño de los aviones fue evolucionando de madera y
tela a materiales de ingeniería sofisticados, la tecnología química
ha provisto los materiales para cumplir con los requerimientos de
diseño. Aleaciones utilizando aluminio y titanio se desarrollaron
para proveer dureza, ligereza, estabilidad a altas temperaturas y
resistencia a la corrosión para los aviones. Los cohetes o misiles
usan materiales con unos requisitos especiales por las
condiciones de temperatura extrema en el que se manejan.
manejan Un
ejemplo es el revestimiento especial de sitios estratégicos de la
nave que la protege cuando vuelve a entrar desde el Espacio a la
Tierra. Después que se utilizó un compuesto exótico de zirconio,
el diseño final del revestimiento utilizado fue fibras de sílica
derivado de la arena común.