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Tema 01 Producción y Transformación de Las Distintas Formas de Energía
Tema 01 Producción y Transformación de Las Distintas Formas de Energía
Tema 01 Producción y Transformación de Las Distintas Formas de Energía
1. CONCEPTO DE ENERGÍA.
La energía se define como la capacidad para realizar trabajo.
La energía es imprescindible para la vida y está estrechamente relacionada con el avance del
progreso.
Con el desarrollo industrial, se empezaron a aplicar nuevas fuentes de energía, tales como los
combustibles fósiles y otras formas ya conocidas desde la antigüedad, como el viento, la
madera y el agua.
Por medio de "máquinas" se transforma la energía en otras mas adecuadas para su utilización.
La unidad de energía en el sistema internacional es el “JULIO”, que es el trabajo que hay que
realizar con una fuerza de un Newton para recorrer un metro en la misma dirección que se
aplica esta fuerza.
2. FORMAS DE ENERGÍA.
La energía se manifiesta de distintas formas, estas las podríamos clasificar:
La energía mecánica total que posee un cuerpo es la suma de la energía cinética y potencial.
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materia en energía. Como ejemplo, tenemos las centrales nucleares en las se produce la fisión
de átomos. Einstein demostró que la materia se transforma en energía según la siguiente
igualdad: .
En la siguiente figura se puede ver un esquema de las transformaciones entre las distintas
energías:
En la práctica ninguna de estas transformaciones se realizan con un 100% de rendimiento
siembre se produce unas perdidas de energía como puede ser el trabajo de rozamiento en los
pistones de un motor, o la perdidas por calentamiento de un alternador, etc. El rendimiento de
una transformación viene dado por la expresión:
Según las actuales teorías todos esto proceden de restos vegetales y otros organismos vivos
que hace millones de años fueron sepultados por efecto de grandes cataclismos o fenómenos
naturales, y por la acción primero de microorganismos y posteriormente y debido a
condiciones de altas temperaturas y presiones, se fueron formando cadenas de átomos de
carbono y de hidrogeno, fundamentalmente. Estas cadenas se fueron haciendo mas largas
hasta formar los distintos combustibles fósiles.
4.1.1. El carbón.
El carbón fue el primer combustible fósil utilizado por el hombre.
El carbón es un material sólido, ligero, negro y muy combustible que tiene su origen en una
combustión incompleta de vegetales y otros seres orgánicos, en una atmósfera anaeróbica, y
posteriormente va perdiendo H y O con el consiguiente aumento de la concentración en
carbón. Se compone de numerosos elementos, variando su concentración según la zona en que
se originó: azufre, silicio, óxidos de hierro, aluminio...
El elemento básico es el carbono, elemento no metálico que su forma pura se presenta como
grafito o como diamante. Es el elemento fundamental de la materia orgánica y de muchos
combustibles.
Podríamos clasificar los tipos de carbón como: minerales, vegetales (autracita, hulla, liguito y
turba, según su composición y antigüedad) y del petróleo.
La extracción del mineral de carbón se realiza según dos métodos de explotación: a cielo
abierto o subterráneo.
carbón se obtiene coque, otro producto gaseoso y en las paredes del horno que
carbón prácticamente puro (grafito)
Ø Producción de productos químicos:. El grafito se utiliza para la fabricación de
electrodos.
Ø Gas de aplicaciones domésticas: De la destilación del componente volátil que
se obtiene vapores amoniacales, brea o alquitran.
El carbón como fuente de energía primaria esta recogido en el plan energético anual.
Su utilización genera sobre el medio ambiente diversos efectos nocivos, comunes en mayor o
menor grado a todos los combustibles fósiles: repercusiones sobre el suelo, el agua y la
atmósfera.
4.1.2. El petróleo.
El petróleo se un aceite mineral de color oscuro, con un fuerte olor, y una densidad inferior a
la del agua (0,8-0,95). Está constituido básicamente por C y H, siendo una mezcla de carburos
parafínicos, aromáticos y nafténicos y en menor proporción compuestos a base de S, O, y N.
Dependiendo de los lugares de extracción, el petróleo tiene una composición química distinta
en base a los compuesto citados anteriormente.
Por su composición se ha deducido (y en lo que se basan las actuales teorías) que se trata de un
producto de origen orgánico formado como resultado de la sedimentación de material vegetal
y animal. Esta materia se va recubriendo por otros sedimentos, quedando sepultado en
condiciones, y bajo las condiciones adecuadas y una lenta degradación (primero por bacteria
aeróbicas , y luego anaerobias ). Da como resultado este líquido que se almacena en lugares
de roca porosa y alrededor de rocas impermeables, formándose grandes bolsas de petróleo. En
estas bolsas se encuentra agua en su parte inferior y en la parte superior gas natural.
La extracción del petróleo se realiza mediante la perforación del terreno, mediante pozo
petrolíferos (sobre la corteza terrestre) o plataformas petrolíferas (en el mar). El líquido
extraído es llevado a un deposito donde se extrae el gas que contenga, posteriormente se
transporta a otro deposito donde se le extra el agua. Posteriormente el petróleo crudo es
transportado por medio de oleoductos o barcos petroleros.
Destilación del petróleo: El crudo al estar compuesto por distintos hidrocarburos, previamente
sufre un proceso de destilación en las refinerías para separar los diferentes compuestos que
luego son utilizados en las industrias y máquinas térmicas. Esta técnica de refinado consiste
básicamente en la separación de los distintos productos según su punto de evaporación, en
torres de destilación, por la cabeza de la torre se extrae los productos mas ligero, y por la base
los mas pesado. Con lo que se van separando los productos mas ligeros de los mas pesados.
La destilación se realiza en diversas etapas, en las etapas finales se consiguen los productos
con casi un 100% de pureza.
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Aplicaciones:
* Utilización directa:
• Combustibles Gaseosos: son el gas natural, gases derivados del petróleo y
otros gases, según su poder calorífico se clasifican en tres grupos:
• 1er grupo: De menor poder calorífico: gas ciudad o manufractura.
• 2º grupo: Gas natural y mezclas de butano y propano con aire.
Los productos de estos grupos se distribuyen mediante gaseoductos.
* Reelaborados:
• Plásticos.
• Fibras sintéticas.
• Detergentes, Disolventes y pigmentos.
• Caucho sintético (neumáticos)
• Abonos para cultivos.
• Medicamentos.
•
Antes de emplearlo se trata para eliminar impurezas, con lo que obtenemos prácticamente
metano puro, siendo su combustión poco contaminante al estar libre de azufre. Se prevé un
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Fisión: Es una reacción nuclear en la que se provoca la ruptura del núcleo en átomo
mediante le impacto de un neutrón. Como en todo núcleo existe almacenada una
enorme cantidad de energía que hace que todas las partículas estén ligadas, unas a
otras, al producirse la fisión, parte de esta energía se libera y se manifiesta en forma de
calor. Además de calor se produce una serie de radiaciones (partículas subatómicas)
que en grandes dosis suelen ser perjudiciales para los seres vivos. Generalmente los
átomos que se suelen utilizar son de uranio, torio o plutonio. Los neutrones emitidos
en la fisión puede provocar otras fisiones de otros núcleos de uranio, continuando el
proceso. A esto se denomina reacción en cadena. La energía liberada se puede
aprovechar y transformar en una energía utilizable por el hombre.
En una ruptura de un núcleo se comprueba que la masa final es menor que la inicial (esto fue
enunciado por Albert Einstein), y se libera gran cantidad de energía, esta energía se propaga en
forma de radiaciones, formadas por partículas nucleares, como la radicación α, radiación β, y
neutrones, o por ondas electromagnéticas como la radiación gamma.
El uranio es la materia prima que mas se utiliza en las centrales nucleares, en las cuales se
transforma en energía eléctrica. Debido a los riesgos que supone el trabajar con material
altamente radioactivo, en la mayoría de los países han dejado de construir nuevas centrales.
En la actualidad este tipo de energías representa un tanto por ciento muy bajo, en relación con
la energía total consumida.(En 1997 representaba un 5,3 % y las estimaciones para el año 2010
son del 15 %)
La energía hidráulica es la que mas se utiliza y en la mayor parte de los paises desarrollados
suele estar ampliamente aprovechada, yq que es una de las mas baratas. Consiste basicamente
en aprovechar la energía potencial del agua, y transformarla en energía eléctrica.
El resto de las energías renovables están en fase de desarrollo y se espera que en un futuro
inmediato representen una fuente de energía importante desde el punto de vista cuantitativo.
La energía potencia que tiene el agua, tiene su origen en el Sol, gracias al cual en la Tierra es
posible que el agua se mueva siguiendo un ciclo. El sol calienta el agua, evaporandola, con lo
que le hace ganar energía potencial, la cual va perdiendo, al caer en forma de lluvia y
posteriormente al descender por los cauces de los rios.
Para el mejor aprovechamiento del energía potencial del agua, se construyen presas en los
cauces de los ríos (que no son otra cosa que acumuladores de energía potencial), en las cuales
se instalan centrales hidroeléctricas, que son las que transforman, la energía que tiene el agua
en energía eléctrica.
El agua, llega a las turbinas, por medio las tuberías. En las turbinas incide sobre
los alabes y les imprime un giro a estos (el agua seguidamente se conduce hacia
el río). Solidario al eje de la turbina gira el alternador y un generador. El
generador es el que alimenta el circuito de excitación del alternador. Y en los
terminales del alternador se genera una fuerza electromotriz que al conectar una
carga aparece una corriente eléctrica, esta corriente es alterna.
La transformación en energía eléctrica se realiza por medio de paneles fotovoltaicos, los cuales
están compuesto de células de semiconductoras de silicio. Estas células transforman la energía
solar directamente en corriente continua. Cada célula genera una tensión entre sus extremos
de 0,7 voltios, por lo debemos de conectar estas células en serie para generar una tensión
mayor y en paralelo para aumentar la intensidad. La corriente continua generada se debe de
transformar a una corriente alterna de magnitud adecuada para poder conectarla a la red
eléctrica, actualmente esta transformación de continua-alterna es sencillo y con pocas perdidas
debido a la electrónica de potencia.
La transformación de la energía solar en térmica se realiza por medio de paneles solares. Estos
están constituidos básicamente por un serpentín por el que circula el agua, el cual esta en el
interior de unos colectores, sobre los que inciden los rayos solares calentando el agua.
Otras instalaciones están constituidas por espejos que concentran los rayos solares sobre un
receptor solar termoeléctrico en donde se aprovecha el calor para generar corriente eléctrica o
para utilizar la energía térmica directamente en algún proceso industrial. Está formado por un
campo heliostatos que reflejan la luz del sol hacia una torre central, concentrando los rayos en
la caldera. El aporte térmico es absorbido por el flujo del fluido, dicho fluido se conduce a
presión hacia un generador de vapor donde se transmite la energía a un segundo circuito.
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La energía eólica tiene como fuente el viento, es decir, el aire en movimiento, por lo cual la
forma de energía es cinética. Esta energía depende de diversos factores:
Ø La cantidad de radiación solar que incide sobre el aire, calentándolo.
Ø La rotación de la Tierra.
Ø Las condiciones atmosféricas.
Todo esto origina zonas con diferentes temperaturas y presiones, que hace que el viento sople
desde las zonas de altas presiones a las zonas de bajas presiones. Se calcula que un 2% de la
energía solar que recibe la Tierra se convierte en energía cinética de los vientos, pero
prácticamente sólo se puede aprovechar el viento que circula cerca del suelo, por lo que se
aprovechamiento actual es muy limitado.
Máquinas eólica: La máquinas eólicas son aquellas que transforman la energía del viento en
energía eléctrica o mecánica, podríamos clasificarlas en turbinas de eje horizontal y
aeroturbinas de eje vertical.
Las aeroturbinas de eje horizontal: son las más utilizadas, debido a su desarrollo tecnológico y
comercial. Para su funcionamiento necesitan mantenerse paralelas al viento, para que este
incida sobre las palas y haga girar el eje. Se podrían clasificar en:
Ø Potencias bajas o media (0,5 a 50 KW): El número de aspas suele ser grande
incluso 24. Se utilizan en medios rurales para sacar agua o como suministro
alternativo de electricidad. Funcionan a plena potencia con una velocidad del
viento de 5 m/s y arrancan cuando la velocidad del viento supera los 2 m/s.
Ø Potencia alta (mas de 100KW): Suelen tener hélices con dos o tres palas de
perfiles aerodinámicos como los usados en aviación. Tienen un gran rendimiento,
funcionando con vientos inferiores a las anteriores. Se usan para la producción de
electricidad accionando generadores ya sea directamente o por medio de un
multiplicador de velocidad y contribuyen a la alimentación de la red eléctrica.
Las Aeroturbinas de eje vertical están poco avanzadas tecnológicamente y su uso es bastante
escaso, pero su futuro parece prometedor. No necesitan dispositivos de orientación, ya que por
cuestiones de simetría siempre están orientadas y presentan menos problemas de resistencia y
vibraciones estructurales. En la actualidad este tipo de aeroturbinas se utilizan para producir
bajas potencias. Los modelos más conocidos son:
Ø Anemómetros: De esfera o cilindros. Su rendimiento es muy bajo y se usa
para medir la velocidad del aire.
Ø Aeroturbina Savonius: Creada por el científico sueco Sigurd Savonius en
1924. Se compone, básicamente, de dos semicilindros, la vista en planta de forma
simple sería.
Ø Aeroturbina Darrius: Inventada por el académico francés del igual nombre,
está contituida por palas de perfil biconvexo unidas las unas con las otras
produciendo el giro del eje al que están unidas.
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4.2.4. Biomasa.
Gracias al Sol, es posible que los animales realicen sus funciones vitales y las plantas el
proceso fotosintético. Mediante este proceso las plantas toman del suelo el agua y las sales
minerales, a través de las raíces, que junto con el anhídrido carbónico, del aire se transforman,
por los rayos solares, en hidratos de carbono, azúcares y almidones y también oxígeno, que es
devuelto a la atmósfera, lo que contribuye a mantener el equilibrio biológico. Esta energía que
se almacena en las plantas constituyen la base del sustento del resto de los seres vivos.
De toda la biomasa de que se dispone, bien por razones medioambientales como económicas,
sólo es rentable la utilización de la siguiente:
Ø Residuos procedentes de la agricultura, ganadería y algunas industrias.
Ø Residuos forestales procedentes de la poda o limpieza de bosques.
Ø Cultivos vegetales energéticos. Se trata de plantaciones de vegetales que
produzcan gran cantidad de biomasa, ya sean cultivos acuáticos como algas
marinas, o terrestres, esta fuente energética puede aprovechase mediante su
combustión directa, o a través de su transformación en otros combustibles con
biogás, bioalcohol, etc.
Métodos bioquímicos:
Ø Fermentación alcohólica: Se efectua en presencia de aire y el fin es obtener
alcohol para motores térmicos principalmente. La técnica consiste en transformar
los azúcares en alcohol. Es una operación costosa, pero en algunos países como
Brasil, muchos coches circulan con alcohol procedente de la caña de azucar.
Ø Digestión anaeróbica: Se efectúa en ausencia de oxígeno, y el fin es obtener
biogas. Se basa en introducir la biomasa en un recipiente cerrado, que mediante
bacterias se convierte en metano y anhídrido carbónico principalmente. Este tipo
de instalaciones permitiría que las explotaciones agrarias se autoabastezcan de
energía, como ocurre en países en desarrollo africanos y asiáticos y granjas
europeas (leche Alba en Zaragoza)
Métodos termoquímicos:
Ø Combustión: Consiste en quemar la biomasa con el fin de producir calor. En
algunos países ha sustituido al carbón o gasóleo en las calderas de uso domético o
industrial.
Ø Pirólisis: Se basa en la descomposición de sustancias orgánicas sometidas a
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Ventajas y limitaciones:
Ø Su uso evita utilizar recursos agotables como carbón o petróleo.
Ø Menor contaminación atmosférica y residual para la misma producción de
energía
Ø La limpieza de bosques y montes reduciría el riesgo de incendios en los
mismos.
Ø Una buena parte es biomasa acuática dificil de aprovechar.
Ø El peligro que se corre de un uso indiscriminado, es que se acabe con la masa
vegetal en la zona.
Ø Necesidad de otra energía para su recolección, transporte y transformación en
combustible util, lo que reduce la energía neta resultante.
Ø En algunos casos, al estar muy dispersa su aprovechamiento no es rentable
económicamente
Esto crea el inconveniente de agotar los recursos naturales y producir grandes cantidades de
residuos que contaminan y cuyo tratamiento cuesta dinero. La mejor medida es el reciclado ya
sea reutilizando (envases reciclados) o el reciclado total, que aunque parezca caro y en muchos
casos la materia virgen resulta mas barata, tiene ventajas a largo plazo, como evitar la
contaminación del suelo, de las aguas e incluso del aire.
Posibilidades de reciclado:
Ø Aguas residuales: Depuradoras para que puedan utilizarse en el riego de tierras.
Ø Neumáticos: Reciclaje para utilizarlos como asfalto.
Ø Reutilizar plásticos, papel, vidrio, chatarra férrica ...
Ø Vehículos de desguace: Utilizarlos como chatarra en fábricas de fundición.
formas:
Ø El vapor de agua o agua líquida que fluye al exterior de forma natural. (géiseres
y manantiales de agua caliente)
Ø El aumento de temperatura que se registra al profundizar en la corteza terrestre,
debido al calor natural procedente del interior de la Tierra.
En la actualidad hay pocas instalaciones de este tipo, sin embargo muchos paises cuentan con
proyectos enfocados a aprovechar este tipo de energía. En España, el proyecto Olas-1000,
trata de aprovechar esta energía en la costa atlántica con un prototipo de central de 1000 KW
emisión y cantidad:
Los óxidos de azufre atacan directamente a las vías respiratorias y son los que posteriormente
en contacto con el agua originan la lluvia ácida
5.1.4. Emisiones de CO
Las emisiones de CO se deben a la combustión incompleta del carbono.
se reflejan, y debido al CO2 que hay en la atmósfera parte vuelven hacia la Tierra.
Pero si la concentración de CO2 aumenta, aumenta la cantidad de radiación que vuelve sobre
la Tierra.
controla la temperatura (vertiendo aguas calientes), el agua caliente disuelve menos cantidad
de oxigeno, por lo que la vida animal se extinguiria.
5.4. Consecuencias.
De todas las actuaciones que hacemos sobre el medioambiente, optemos unas consecuencias.
Efecto invernadero:
La atmósfera actúa de pantalla (sobre todo el CO2) con los rayos solares, reflejando parte
de los mismos y de esta manera regula la temperatura de la Tierra. Si el ratid de gases
que componen la atmósfera varía (aumento del CO2 sobre todo), varia la cantidad de
rayos que son reflejados hacia la Tierra.
Si se sigue con el ritmo actual de emisión de CO2 a la atmosfera, los instrumentos de reciclado
natural (fotosintesis de las plantas terrestres y en mayor parte por la absorción del plactón de
los oceanos) serán insuficientes.
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normales los rayos UV transforma moléculas de O3 para formar O2 a la misma velocidad que
lo hace en sentido inverso, con lo que existe un equilibrio.
Pero la presencia de CFC´s (liberado en los aerosoles) y NOx (liberado en las combustiones)
hace que la reacción solo se de en el sentido de la formación de O2, con lo que la
concentración de O3 vaya en disminución.
Una emisión de óxidos de azufre o nitrógeno puede dar lugar a una lluvia ácida a cientos de
kms. de la zona donde se expulsan.
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