Energ

1
Energías no renovables
Unidad
5
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5.1. Fuentes de energía
Las fuentes de energía se clasifican en
primarias (que son las que actualmente utiliza el
hombre) y secundarias (que son las resultantes de
la transformación de las primarias en otro tipo
de energía).
A Fuentes de energía primarias
Energías no renovables, son aquellas que nos
proporciona la naturaleza, pero que, una vez
consumidas, no hay forma de obtener de nuevo.
Esto es, sus reservas son limitadas.
En cambio, las energías renovables son aquellas
que están disponibles sin peligro de que se
agoten, pues la propia naturaleza, en condiciones
normales, nos la seguirá proporcionando. El
consumo de energía en España en el 2006 fue de
149,22 Mtep. (1Tep 107 kcal)
3
B Fuentes de energía secundarias
Las energías secundarias o finales son aquellas
resultantes de la transformación de las energías
primarias en otro tipo de energía. Como por
ejemplo, tenemos la gasolina, el gasóleo, el
queroseno y otros derivados del petróleo la
electricidad, etc. El consumo de energía
secundaria en el año 2006 fue de 113,64 Mtep. La
electricidad se puede considerar más bien como un
tipo de energía de transición, pues se
transforma en otros tipos de energía mecánica
(motores), luminosa (bombillas), térmica (calor),
etc.
Consumo de energía secundaria en España en el año
2001.
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• Ejemplos prácticos
• 1º. Determina la cantidad de energía eléctrica
  consumida en España, en MWh, durante el año 2006.
  (Dato Electricidad en 2.006 fue 22,75 Mtep, el
  20 del total)
• 2º. Qué cantidad de barriles de petróleo se han
  consumido en España en el año 2006? Cuántos
  kilos de petróleo tiene un barril? (Dato
  Petróleo en 2.006 fue 64,10 Mtep, el 57 del
  total)
• 3º. Qué unidad es mayor, 1 tep o 1 MWh?
• DATOS IMPORTANTES
• 1 Mtep 1.000.000 tep (toneladas
  equivalentes de petróleo) 1MWh 861.244 kcal
  0,086 tep
• 1 tep 7,2056 bep (barriles equivalentes de
  petróleo) 107 kcal 4,18 1010 Julios
• 1 kilotón (kt) 4,18 1015 Julios 1 megatón
  (Mt) 4,18 1018 Julios
• 1 barril de petróleo 159 litros 0,13878 tep
  1 bep (barril equivalente de petróleo) 0,0072
  tep.
• La densidad media del petróleo es de 0,873
  kg/litro
• El consumo de energía primaria por habitante en
  España en 2006 fue de 3,34 tep.

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5.2. Combustibles fósiles
Los combustibles fósiles son el carbón, el
petróleo y el gas natural. Todos ellos proceden
de restos vegetales y otros organismos vivos
(generalmente plancton marino) que hace millones
de años fueron sepultados por efecto de grandes
cataclismos. Según el residuo orgánico de que se
trate, tenemos combustibles sólidos (carbón),
líquidos (petróleo) y gaseosos (gas natural).
El consumo de carbón en España en el año 2001 fue
de 19,46 Mtep, y procedió de los países indicados
en el gráfico.
El origen del carbón.
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A El carbón

• El carbón es un combustible sólido de color
  negro, compuesto fundamentalmente por carbono y
  otros elementos químicos, como hidrógeno,
  nitrógeno, oxígeno, etc. Atendiendo a la
  procedencia, los carbones se clasifican en
  minerales y artificiales. Los minerales proceden
  de la naturaleza y los artificiales son
  fabricados por el hombre, unos quemando
  parcialmente madera (carbón vegetal) para
  barbacoas y otros como el carbón de coque (que
  lo veremos más adelante).

Tipos de carbones minerales.
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• Aplicaciones del carbón
• Aunque en la actualidad ha perdido mucha
  importancia debido a su alto poder contaminante,
  cabe destacar 3 aplicaciones importantes
  fabricación de carbón de coque, obtención de
  productos industriales y producción de
  electricidad en centrales térmicas.
• Fabricación de carbón de coque. Se emplea para
  la fabricación de acero. En este proceso actúa
  como combustible para fundir el mineral de hierro
  y emite gases para que reaccionen con los óxidos
  ferrosos y transformarlos en hierro. El carbón de
  coque se obtiene de hulla, después de sufrir un
  proceso que se denomina coquizado (introducir
  hulla en cámaras cerradas y controlar la cantidad
  de oxígeno) se aumenta su temperatura a 1.100ºC
  y se mantiene así unas 16 horas finalmente, el
  coque al rojo vivo se vierte sobre un vagón que
  lo transporta hasta la torre de apagado (cortina
  de agua).

Obtención del carbón vegetal a través de la
descomposición por acción del calor (pirólisis).
Baterías de coque.
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• 2. Obtención de productos industriales. Los más
  importantes son
• Gas ciudad. Empleado, como combustible gaseoso
  en sustitución del butano en la mayoría de las
  viviendas de las grandes ciudades. Su poder
  calorífico es de 5.000 kcal/m3 (en c.n. de
  presión y temperatura).
• Vapores amoniacales. De ellos se suele obtener
  sulfato amónico, que se usa como fertilizante.
• Grafito casi puro, que queda adherido a las
  paredes de la cámara.
• Brea o alquitrán, de la que se obtienen
  aceites, medicamentos (ácido acetilsalicílico),
  colorantes, insecticidas, explosivos, plásticos,
  etc.
• Pez. Para pavimentar carreteras (asfalto) e
  impermeabilizar tejados.

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3. Producción de electricidad en centrales
térmicas clásicas. El funcionamiento de una C.T.
es como sigue El carbón que llega (1) se echa en
la tolva (2) y se pulveriza con el molino (3).
Luego se introduce en la caldera (4) y se quema
para obtener energía calorífica. Las cenizas que
caen (5) se extraen. Esta energía calorífica se
emplea para calentar agua (6, 7 y 8). Como el
calor es tan intenso, el agua se convierte en
vapor a presión. El aire que se introduce a la
caldera, para que arda el carbón se inyecta a
90ºC. Para calentarlo se pasa por un recalentador
(10). Los humos procedentes de la combustión se
precipitan (11) con objeto de eliminar las
partículas sólidas (cenizas). Un desulfurizador
(11) evita que salgan las partículas de azufre a
la atmósfera, que provocan la lluvia ácida.
Finalmente, los humos se dejan escapar por la
chimenea (12). El vapor generado pasa a las
turbinas (13, 14 y 15), haciéndolas girar a gran
velocidad (se transforma la E. Térmica en E.
Mecánica). Solidario al eje de las turbinas hay
un alternador (20) que produce la corriente
eléctrica (transformándose la E. Mecánica en E.
Eléctrica). El vapor una vez que ha impulsado las
turbinas se licua en un condensador (16) donde se
hace pasar agua fría procedente de la torre de
refrigeración (18). El vapor convertido en agua,
regresa de nuevo a la caldera previo
calentamiento (19). La corriente generada se hace
pasar por los transformadores (17) para elevarla
y trasladarla (21) a los puntos de consumo.
Central térmica clásica.
10

• Nuevas tecnologías aplicadas a centrales térmicas
• Debido a que la quema del carbón provoca grandes
  contaminaciones al medio ambiente, se están
  implantando nuevas tecnologías como son
• La combustión en lecho fluido. Una vez molido el
  carbón, se mezcla con cal. De esta forma se
  consigue un aumento del rendimiento y que el
  azufre reaccione con la cal evitando su emisión a
  la atmósfera.
• La gasificación del carbón. Consiste en inyectar
  oxígeno al aire, junto con vapor de agua, a una
  masa de carbón. Con ello se genera la emisión de
  gas, que posteriormente se quema.
• Sectorización del consumo del carbón

Las reservas de carbón se estiman en 4.300
millones de toneladas. El 82 de los recursos
carboníferos de España están concentrados en tres
provincias León (35), Asturias (30) y Teruel
(17). El consumo de carbón en España durante el
2.006 fue de 42,09 millones de toneladas. De
ellas, se importaron 23,70 millones.
Desglose del consumo de carbón en España en el
año 2001.
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• Carbón y medio ambiente

La combustión del carbón afecta de una manera
significativa al medio ambiente.

• Impacto medioambiental
• La combustión del carbón origina una serie de
  deterioros medioambientales importantes. Los más
  importantes son la emisión a la atmósfera de
  óxidos de azufre, de nitrógeno, hidrocarburos y
  dióxido de carbono. Estos gases, originan un
  cambio en las proporciones en el aire, y traen
  graves consecuencias para nuestro medio ambiente.
  Cabe destacar

• Efecto invernadero. (Aumento de CO2 en la
  atmósfera, creando una pantalla e impidiendo que
  los rayos de Sol que se reflejan puedan salir,
  son absorbidos. Y aumenta progresivamente la
  temperatura media de la atmósfera).
• Lluvia ácida. (Las emisiones de óxidos
  reaccionan con el vapor de agua, transformándose
  en ácidos sulfúrico y nítrico, que se precipitan
  a la tierra en forma de lluvia).
• Pérdidas de parte del manto fértil del suelo.
  (Destrucción de buena parte de los bosques).
• Contaminación de ríos. (Daña la vida acuática y
  deteriora el agua que consumimos).
• Deterioro del patrimonio arquitectónico. (Los
  gases atacan la piedra, poniendo en peligro su
  conservación).

La contaminación tiene grandes repercusiones en
el medio ambiente.
b) Tratamiento de residuos Las cenizas ricas en
azufre originadas en la combustión del carbón no
suelen perjudicar al medio ambiente, siempre que
se depositen en vertederos controlados.
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• Ejemplos prácticos
• 4º. Calcula la cantidad de carbón de antracita
  que es necesario aportar diariamente a una
  central térmica clásica si su rendimiento es del
  30 y tiene una potencia constante de 50.000 kW.
  (Dato Pc antracita 8.000 kcal/kg)
  (Solución m 430.622 kg)
• 5º. Calcula la cantidad de m3 de gas ciudad que
  es necesario quemar para convertir el carbón de
  hulla en carbón de coque (en el interior de una
  coquería), si se necesitan 2 108 kcal. El poder
  calorífico del gas ciudad es 5.000 kcal/m3. La
  presión de suministro es de 2 atm y la
  temperatura de 30ºC. El rendimiento es del 95.
  (Solución V 23.366 m3).
• 6º. En una zona turística, para subir a lo alto
  de una montaña de 500 m se emplea una locomotora
  de vapor. Suponiendo que la locomotora, junto con
  los viajeros, pesa 30 toneladas, determina qué
  cantidad de carbón de antracita es necesario
  quemar si el rendimiento es del 8. (Sol. 54,95
  kg).
• 7º. Suponiendo que el poder calorífico medio del
  carbón consumido en España en el año 2.006 fue de
  Pc 7.000 kcal/kg y que las centrales térmicas
  usadas tuvieron un rendimiento del 33, calcula
  la energía eléctrica producida por ellas en MWh.
  (Solución 99.916.666 MWh).

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B El petróleo
El petróleo es un combustible natural formado por
una mezcla de hidrocarburos y, en menor
proporción, por azufre, oxígeno y nitrógeno. Su
color es pardo oscuro y su densidad varía entre
0,8 y 0,95 kg/dm3, no disolviéndose en el agua.

• Origen del petróleo
• La formación del petróleo es análoga a la del
  carbón. Inicialmente, la descomposición se llevó
  a cabo mediante bacterias aerobias (que necesitan
  oxígeno). Posteriormente, se depositaron más
  sedimentos y ya no había oxígeno, aparecieron
  bacterias anaerobias. Estas bacterias
  convirtieron la materia orgánica en
  hidrocarburos.
• Pozos petrolíferos
• La localización y extracción no es una tarea
  sencilla. Se necesita personal muy cualificado y
  equipos muy costosos.
• La localización se realiza mediante el denominado
  método sísmico, aportando gran cantidad de datos
  sobre la estructura del subsuelo.

Composición del petróleo.
Pozo petrolífero y torre de extracción.
14

• Las refinerías destilación fraccionada o
  múltiple del petróleo

El petróleo o crudo no se utiliza tal y como se
extrae del yacimiento. Previamente debe sufrir un
proceso de destilación en las refinerías, con
objeto de separar los distintos hidrocarburos que
lo forman. El principio es bastante sencillo, se
trata de una destilación fraccionada.
Se hace pasar todo el crudo por un horno a unos
340ºC, con lo que el crudo se transforma en gas.
Este gas se lleva a la torre de fraccionamiento,
donde los gases más ligeros irán a la parte más
alta y los más pesados a la más baja.
Para evitar que se mezclen unos gases con otros,
se produce una nueva destilación, produciéndose
lo que se conoce como destilación fraccionada o
múltiple. En la figura de la izquierda se ve la
torre de fraccionamiento (por cada flecha se
obtiene los distintos gases).
Composición típica de un litro de crudo después
del proceso de refinado.
Refinería de petróleo.
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• Productos obtenidos y sus aplicaciones

De los pozos petrolíferos se obtienen dos tipos
de combustibles gas natural e hidrocarburos.

• Gas natural

Red de gaseoductos de gas natural.
16
Países de los que España importa gas natural.
Países de los que España importa crudo.
En España hay cinco pozos petrolíferos en
explotación, pero los que más crudo
proporcionaron en 2006 fueron Rodaballo (35.393
Toneladas), Casablanca (66.766 T), Boquerón
(32.390 T) y Ayoluengo (5.397 T). La producción
de crudo en España en el año 2.006, fue de 0,140
Mtep. El consumo total de crudo o petróleo en el
año 2.006 fue de 72,04 Mtep.
17

• Hidrocarburos líquidos, sólidos y gaseosos

18

• Petróleo y medio ambiente

Impacto medioambiental del petróleo. Por tratarse
de un combustible fósil, de formación análoga al
carbón, sus repercusiones son muy parecidas. Para
paliar parte de los problemas de lluvia ácida y
efecto invernadero, se han tomado las siguientes
medidas utilización de gasolina sin plomo,
gasóleos libres de azufre y sustituir las
instalaciones de gasóleo y fuelóleo por otras que
utilicen gas natural.
Red de oleoductos.
19

• Tal vez uno de los mayores problemas que genera
  el consumo de petróleo radica en su transporte.
  Existe una enorme red de oleoductos en España y
  el mundo, pero no es suficiente para cubrir la
  demanda y hay que recurrir al transporte marítimo
  y terrestre. Las costas españolas han sufrido
  bastantes desastres ecológicos, el más reciente
  ha sido el vertido del petrolero Prestige en las
  costas gallegas y cantábricas.

Marca negra ocasionada por el vertido de un
petrolero.
Tratamiento de residuos. Los productos
petrolíferos tienen muy pocos residuos. Sólo
cuando se está refinando el petróleo se producen
residuos gaseosos (metano etano), los cuales,
dada su dificultad para licuarlos (ya que
exigiría altísimas presiones, peligrosas a la
hora de manipular contenedores), son quemados en
la propia refinería. En esta combustión emiten
monóxido y dióxido de carbono a la atmósfera.
20
5.3. Energía nuclear
Einstein descubrió que la masa se podía
transformar en energía, según la fórmula E
m c2 donde E Energía producida (Julios). m
masa desintegrada (Kg). c velocidad de la luz
3 108 m/s
Ejemplo práctico 8º. Sabiendo que el poder
calorífico de un tipo de carbón es de 7.200
kcal/kg y el del gasóleo 10.300 kcal/kg,
determina qué cantidad de cada uno de ellos sería
necesario quemar para obtener una energía
equivalente a la obtenida si se desintegrase
íntegramente 1 kg de uranio. (Soluciones 2,98
106 toneladas de carbón y 2,09 106 toneladas de
gasóleo).
21
A Tipos de reacciones nucleares

• Fisión. Consiste en romper un núcleo de un átomo
  de Uranio enriquecido (235U) o de Plutonio
  (239Pu). Estos son los dos únicos isótopos
  fisionables y además inestables.

El proceso comienza lanzando un neutrón a gran
velocidad sobre el átomo que se desea fisionar
(romper). Al chocar, lo rompe en dos fragmentos
(dos nuevos átomos), liberando tres neutrones y
gran cantidad de calor. Cada uno de los 3n puede
provocar nuevas fisiones, dando lugar a nuevos
neutrones y así sucesivamente. Este fenómeno se
conoce como reacción en cadena. Si no se controla
este número de escisiones, el calor liberado es
tan grande que se origina una bomba
atómica. Todas las centrales nucleares españolas
consumen alrededor de 120 t de uranio enriquecido
al año, que se produce en Saelices el Chico
(Salamanca).
Fisión nuclear.
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• Componentes de una central nuclear
• 1. Reactor nuclear. En él tiene lugar la reacción
  nuclear de fisión.
• 2. Turbina. Le llega vapor a alta presión. El
  giro de la turbina mueve un alternador.
• 3. Condensador. Licua el vapor para introducirlo
  nuevamente en el reactor.
• 4. Edificio de almacenamiento y manipulación.
• 5. Circuito de refrigeración/generador de vapor.
  El reactor está rodeado
• por un líquido refrigerante cuya misión es la de
  evacuar el calor.
• Los refrigerantes más usados son deuterio,
  protio o helio.

Central nuclear.
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Central con reactor de agua en ebullición (BWR).
Central con reactor de agua a presión (PWR).
Utiliza como combustible uranio enriquecido
(235U) al 3 . Como moderador agua ligera
(protio). El circuito de refrigeración consta
de dos circuitos autónomos primario (el
refrigerante está siempre en estado líquido) y
secundario (el refrigerante, al pasar por el
generador de vapor, se convierte en vapor a gran
presión). El 50 de las centrales que hay son
de este tipo.
El combustible es igual que en el tipo
anterior. Como moderador emplea el mismo que el
tipo anterior. El circuito de refrigeración
consta de un solo circuito. El refrigerante que
extrae el calor del núcleo pasa a estado gaseoso
(ebullición), y se dirige a las turbinas. El
25 de las centrales mundiales son de este tipo.
En España hay 8 centrales nucleares de fisión, 6
PWR (1 en Guadalajara 1.066Mw, 2 en Cáceres
983 y 974Mw, 3 en Tarragona 1.009Mw, 973Mw y
966Mw) y 2 BWR (1 en Valencia 990Mw y 1 en Burgos
460Mw).
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• Fusión. Consiste en la unión de dos núcleos de
  átomos ligeros para formar un núcleo más pesado y
  el desprendimiento de gran cantidad de energía.
  Los átomos de un gas están siempre chocando unos
  contra otros. A medida que se calientan, aumenta
  su velocidad de movimiento. Si esta velocidad
  aumenta a varios miles de km/s (aplicándoles
  calor hasta millones de grados), pueden vencer la
  mutua repulsión de sus núcleos y así fundirse al
  chocar, generando un nuevo átomo. Este proceso
  libera gran cantidad de energía en forma de
  calor.

La ventaja es que el deuterio y el tritio para
formar helio, se pueden obtener del hidrógeno y
éste del agua dulce o de mar, con lo que
resultaría una fuente inagotable de energía. El
inconveniente es que este tipo de energía todavía
se encuentra en fase de experimentación, ya que
se gasta más de la que se obtiene.

• Los problemas que presenta son
• Calentar el gas a temperaturas de 100.000.000ºC y
  para que pueda ser comercial a 300.000.000ºC. Se
  cree que la fusión es la fuente de energía de las
  estrellas (el Sol, por ejemplo).
• Disponer de un recipiente que soporte esas
  temperaturas el tiempo suficiente.
• Extraer la energía liberada y transformarla en
  electricidad.
• Métodos para contener el plasma (masa de átomos
  ionizados a 100.000ºC con carga positiva). Hay
  dos métodos confinamiento inercial y
  confinamiento magnético o Tokamak.

Reactor Tokamak. Método usado para contener el
plasma.
Fusión nuclear.
25
B Energía nuclear y medio ambiente

• Impacto medioambiental. Los accidentes pueden
  ser provocados por escapes de agua radiactiva
  del circuito primario (como ha ocurrido en un
  submarino británico) y explosiones del reactor,
  motivadas por el exceso de temperatura (es el
  caso de Chernobyl, en Ucrania).
• Tratamiento de residuos. Los residuos son
  aquellos materiales que contienen radioisótopos
  (que emiten partículas radiactivas). Se pueden
  clasificar en los siguientes tipos de baja
  actividad (ropa, guantes, herramientas, etc.), de
  media actividad (filtros de gases y líquidos
  usados) y de alta actividad (combustibles
  gastados).

Los de alta actividad se almacenan
provisionalmente en la central, dentro de
piscinas de hormigón con agua. Luego pueden
reprocesarse para obtener combustible o armas
nucleares, o encapsularse y depositarse en minas
profundas, geológicamente estables.
Dosis anuales de radiación habituales por persona.