FUENTES
DE ENERGIA
LA ENERGIA
La energía es una
propiedad de todo cuerpo o sistema material en virtud de la cual éste
puede transformarse, modificando su estado o posición, así como
actuar sobre otros originando en ellos procesos de transformación.
La energía puede tener
distintos orígenes y, dependiendo de ellos se le denomina de una forma u
otra:
- Energía
cinética: Asociada al movimiento de los cuerpos
- Energía
potencial: Asociada a la posición dentro de
un campo de fuerzas.
- Energía
interna: Asociada a la temperatura de los cuerpos.
- Energía
luminosa: Asociada a la radiación solar.
- Energía
nuclear: Asociada a los procesos de fusión
(unión de núcleos) o fisión (ruptura de
núcleos) que tienen lugar en el interior de los átomos.
La energía presenta tres
propiedades básicas:
- La
energía total de un sistema aislado se conserva. Por tanto en el
Universo no puede existir creación o desaparición de
energía.
- La
energía puede transmitirse (transferirse) de unos cuerpos, o
sistemas materiales, a otros.
- La energía
puede transformarse de unas formas a otras.
Trabajo y Calor
La energía puede transferirse entre los sistemas. Dicha
transferencia se produce mediante interacciones entre los cuerpos o sistemas
provocando cambios en los mismos. Las interacciones pueden ser diferentes y,
por tanto, los cambios o transformaciones que producen también.
Cuando la interacción es
de tipo mecánico, es decir, mediante la actuación de una fuerza,
como en los ejemplos citados, la transferencia de energía entre un
cuerpo y otro se denomina TRABAJO. Mientras se realiza trabajo sobre un
cuerpo, se produce una transferencia de energía al mismo, por lo que
puede decirse que el trabajo es energía en tránsito.
Interacción
térmica: Calor
Cuando interaccionan dos cuerpos
o sistemas que se encuentran a distintas temperaturas, como en los ejemplos de
las fotos, la transferencia de energía que se produce se denomina calor.
El calor es energía en tránsito, es decir, energía que
siempre fluye de una zona de mayor temperatura a otra de menor temperatura, con
lo que eleva la temperatura de la segunda y reduce la de la primera. En los
ejemplos anteriores, el agua o el refresco (mayor temperatura) ceden
energía al hielo (menor temperatura). La consecuencia es que el agua o
el refresco bajan su temperatura. “En el lenguaje cotidiano"
decimos que el agua "se enfría".
De manera inversa, el Sol, en el
otro ejemplo, (mayor temperatura) transfiere energía al agua del mar
(menor temperatura) y el agua aumenta su temperatura o, como se suele decir, "se
calienta".
Unidades de la energía
Tanto para la energía como el trabajo y el calor, que son
energía en tránsito, se emplea la misma unidad en el Sistema
Internacional de unidades (SI) el julio (J) definido como el trabajo realizado
por la fuerza de 1 newton cuando se desplaza su punto de aplicación 1
metro. En física nuclear se utiliza como unidad el electronvoltio (eV)
definido como la energía que adquiere un electrón al pasar de un
punto a otro entre los que hay una diferencia de potencial de 1 voltio.
Su relación con la unidad
del SI es:
1 eV = 1'602
· 10-19 J
Para la energía
eléctrica se emplea como unidad de producción el kilovatio-hora
(kW·h) definido como el trabajo realizado durante una hora por una
máquina que tiene una potencia de 1 kilovatio.
1
kW·h = 36 · 105 J
Para el calor se emplea
también una unidad denominada caloría (cal) que se define como "la
energía (calor) necesaria para elevar la temperatura en 1ºC a la
masa de 1 gramo de agua pura".
1 cal = 4'186 J
Para poder evaluar la calidad
energética de los distintos combustibles se establecen unas unidades
basadas en el poder calorífico de cada uno de ellos. Las más
utilizadas en economía energética son kcal/kg, tec y tep. kcal/kg aplicada a un combustible nos indica el
número de kilocalorías que obtendríamos en la
combustión de 1 kg de ese combustible. tec:
toneladas equivalentes de carbón. Representa la energía liberada
por la combustión de 1 tonelada de carbón (hulla).
1 tec = 29'3 · 109 J
tep: tonelada equivalente de petróleo.
Equivale a la energía liberada en la combustión de 1 tonelada de
crudo de petróleo.
1 tep = 41'84 · 109 J
Entre
el tep y el tec existe la equivalencia: 1 tep = 1'428 tec
Fuentes de energía
Llamamos fuente de energía a un sistema natural cuyo
contenido energético es susceptible de ser transformado en
energía útil. Un aspecto importante a tratar es conocer
cuáles son las fuentes que usamos para aprovechar su energía, su
utilidad, sus ventajas e inconvenientes y su disponibilidad. Nuestro planeta
posee grandes cantidades de energía. Sin embargo, uno de los problemas
más importantes es la forma de transformarla en energía
utilizable. Las fuentes más buscadas son las que poseen un alto
contenido energético y acumulan energía en la menor cantidad de
materia posible. Es el caso del petróleo, carbón y gas natural.
En otras, por el contrario, se encuentra difusa (solar, eólica,
geotérmica, etc.)
La mayor parte de las fuentes de
energía, salvo la nuclear, la geotérmica y las mareas, derivan
del Sol. El petróleo, el gas natural o el viento tienen su origen,
aunque lejano, en la energía que proviene del Sol.
Las distintas fuentes de
energía se clasifican en dos grandes grupos: renovables y no renovables.
Renovables. Son aquellas fuentes que no desaparecen
al transformar su energía en energía útil.
No renovables. Es el sistema material que se agota al
transformar su energía en energía útil.
FUENTES
DE ENERGÍA
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RENOVABLES
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NO
RENOVABLES
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Energía de los combustibles fósiles
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Es la energía asociada al uso del
carbón, gas natural y petróleo. La forma de energía que
poseen los combustibles fósiles es energía interna, que podemos
aprovechar a partir de las reacciones de combustión. Se puede transformar en lo que
habitualmente se denomina energía térmica (calefacción),
energía eléctrica, energía cinética (a
través de los motores de combustión interna), etc. Es utilizada
en multitud de aplicaciones domésticas e industriales. |
VENTAJAS
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INCONVENIENTES
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Energía nuclear de fisión
Es la energía asociada al uso del uranio. La forma de
energía que se aprovecha del uranio es la energía interna de sus
núcleos. Se transforma en energía eléctrica. Una parte
importante del suministro de energía eléctrica en los
países desarrollados tiene origen nuclear.
VENTAJAS
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INCONVENIENTES
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o
Grandes reservas de uranio o
Tecnología bien desarrollada o
Gran productividad. Con pequeñas
cantidades de sustancia se obtiene gran cantidad de energía. o
Aplicaciones pacíficas y médicas |
o
Alto riesgo de contaminación en caso de
accidente
o
Producción de residuos radiactivos
peligrosos a corto y largo plazo o
Difícil almacenamiento de los residuos
producidos
o
Alto coste de las instalaciones y mantenimiento
de las mismas o
Posibilidad de uso no pacífico |
Energía Nuclear de
Fusión
Recibe el nombre de fusión
nuclear la reacción en la que dos núcleos muy ligeros
(hidrógeno) se unen para formar un núcleo más pesado y
estable, con gran desprendimiento de energía.
Para que tenga lugar la
fusión, los núcleos cargados positivamente, deben aproximarse
venciendo las fuerzas electrostáticas de repulsión. La
energía cinética necesaria para que los núcleos que
reaccionan venzan las interacciones se suministra en forma de energía
térmica (fusión térmica)
La energía del Sol es un
ejemplo de este tipo de energía. Actualmente se intentan reproducir los
mismos procesos de fusión que ocurren en el Sol, pero de forma
controlada. El aprovechamiento por el hombre de la energía de
fusión pasa por la investigación y desarrollo de sistema
tecnológicos que cumplan dos requisitos fundamentales: calentar y
confinar. Calentar para conseguir un gas sobrecalentado (plasma) en donde los
electrones salgan de sus órbitas y donde los núcleos puedan ser
controlados por campos magnéticos. Confinar, para mantener la materia en
estado de plasma o gas ionizado, encerrada en la cavidad del receptor el tiempo
suficiente para que pueda reaccionar.
VENTAJAS
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INCONVENIENTES
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o
Escasa contaminación o
Recursos prácticamente ilimitados |
o
Dificultad del desarrollo tecnológico necesario.
Actualmente se encuentra en fase de investigación y desarrollo. o
No se ha establecido aún si origina
residuos peligrosos. |
Energía Hidráulica
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Es la energía asociada a los saltos de
agua ríos y embalses. La forma de energía que posee el agua de
los embalses es energía potencial gravitatoria, que podemos aprovechar
conduciéndola y haciéndola caer por efecto de la gravedad. Se
puede transformar en energía mecánica en los molinos de agua y en
energía eléctrica en las centrales
hidroeléctricas. |
VENTAJAS
|
INCONVENIENTES
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o
Es una energía limpia o
No contaminante o
Su transformación es directa o
Es renovable |
o
Imprevisibilidad de las precipitaciones o
Capacidad limitada de los embalses o
Impacto medioambiental en los ecosistemas o
Coste inicial elevado (construcciones de
grandes embalses) o
Riesgos debidos a la posible ruptura de la
presa
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Energía Eólica
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Es la energía asociada al viento. La
forma de energía que posee es la energía cinética del
viento, que podemos aprovechar en los molinos, en la navegación a
vela,...
Se puede transformar en
energía mecánica en los molinos de vientos o barcos de vela, y
en energía eléctrica en los aerogeneradores. |
Energía
Solar
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Es la energía asociada a la
radiación solar. La forma de energía que posee el Sol es
energía nuclear interna que se transforma en la energía que
emite mediante procesos de fusión. El Sol emite sin cesar lo que se llama
energía radiante o, simplemente, radiación. Se transforma en lo
que habitualmente se denomina energía térmica y en
energía eléctrica. Se puede realizar directamente
(fotovoltaica) o indirectamente. |
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VENTAJAS
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INCONVENIENTES
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o
Limpia o
Sencillez de los principios aplicados o
Conversión directa o
Empieza a ser competitiva |
o
Grandes variaciones en el tiempo de
irradiación o
Es aprovechable sólo en algunas partes
del planeta
o
Necesidad de grandes superficies de
captación para su aprovechamiento a gran escala o
Tecnología en desarrollo o
Dificultad de almacenamiento |
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Energía de la Biomasa
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Es la energía asociada a los residuos
orgánicos generados en la transformación de productos
agrícolas, forestales y a los residuos sólidos urbanos. Se
trata de aprovechar la energía interna de estos residuos.
También se cultivan grandes superficies específicamente para
producir biomasa. Se puede transformar en
combustibles sólidos (carbón vegetal), líquidos (alcohol
y otros) y gaseosos (biogás). De su combustión se puede obtener
energía eléctrica. |
VENTAJAS
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INCONVENIENTES
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o
Favorece el reciclaje de residuos urbanos o
Contribuye a una mejor limpieza de los bosques
y como consecuencia previene incendios forestales o
Aprovecha ciertos terrenos que no son válidos
para otros cultivos. |
o
Necesidad de grandes superficies de cultivo o
Tecnología en desarrollo |
Energía
Mareomotriz
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Es la energía asociada a las mareas
provocadas por la atracción gravitatoria del Sol y principalmente de
la Luna. Se transforma en energía eléctrica. |
VENTAJAS
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INCONVENIENTES
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o
Limpia o
Renovable |
o
Necesita construir presas y diques o
Posible impacto ambiental en ecosistemas o
Sólo es aprovechable en lugares muy
concretos
o
Corrosión de los sistemas |
Energía
Geotérmica
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Es la energía interna y cinética
asociada al vapor de agua que sale directamente a la superficie en zonas
volcánicas y al aumento de temperatura que se produce conforme
profundizamos en la superficie terrestre. Se transforma en energía
eléctrica o en energía térmica para
calefacción. |
VENTAJAS
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INCONVENIENTES
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o
Limpia o
En los sitios donde se da, es abundante |
o
No renovable o
Sólo es aprovechable en lugares muy
concretos
o
Tecnología en desarrollo |
Generadores
La energía eléctrica
se produce en los aparatos llamados generadores o
alternadores. Un generador consta, en su forma más simple de:
Una espira que gira impulsada por algún medio externo. Un campo
magnético uniforme, creado por un imán, en el seno del cual gira
la espira anterior. A medida que la espira gira, el flujo
magnético a través de ella cambia con el tiempo,
induciéndose una fuerza electromotriz, y si existe un circuito externo,
circulará una corriente eléctrica.
Para que un generador funcione,
hace falta una fuente externa de energía (hidráulica,
térmica, nuclear, etc.) que haga que la bobina gire con una frecuencia
deseada.
Central eléctrica
Una central eléctrica es
una instalación capaz de convertir la energía mecánica,
obtenida mediante otras fuentes de energía primaria, en energía
eléctrica. En general, la energía mecánica procede de la
transformación de la energía potencial del agua almacenada en un
embalse; de la energía térmica suministrada al agua mediante la
combustión del carbón, gas natural, o fuel, o a través de
la energía de fisión del uranio.
Para realizar la
conversión de energía mecánica en eléctrica, se
emplean unos generadores, más complicados que los que acabamos de ver en
la pregunta anterior, que constan de dos piezas fundamentales:
- El estator: Armadura
metálica, que permanece en reposo, cubierta en su interior por
unos hilos de cobre, que forman diversos circuitos.
- El rotor: Está en el interior del estator y
gira accionado por la turbina. Está formado en su parte interior
por un eje, y en su parte más externa por unos circuitos, que se
transforman en electroimanes cuando se les aplica una pequeña
cantidad de corriente.
-
Cuando el rotor gira a gran velocidad, debido a la energía
mecánica aplicada en las turbinas, se produce unas corrientes en los
hilos de cobre del interior del estator. Estas corrientes proporcionan al
generador la denominada fuerza electromotriz, capaz de producir energía
eléctrica a cualquier sistema conectado a él.
Como hemos visto la turbina es la
encargada de mover el rotor del generador y producir la corriente
eléctrica. La turbina a su vez es accionada por la energía
mecánica del vapor de agua a presión o por un chorro de agua.
Todas las centrales eléctricas constan de un sistema de "turbina-generador"
cuyo funcionamiento básico es, en todas ellas, muy parecido, variando de
unas a otras la forma en que se acciona la turbina, o sea, dicho de otro modo
en que fuente de energía primaria se utiliza, para convertir la
energía contenida en ella en energía eléctrica.
Centrales Hidroeléctricas
Fueron las primeras centrales eléctricas que se
construyeron.
Una central hidroeléctrica es aquella en la que la energía
potencial del agua almacenada en un embalse se transforma en la energía
cinética necesaria para mover el rotor de un generador, y posteriormente
transformarse en energía eléctrica. Por ese motivo, se llaman
también centrales hidráulicas.
Las centrales
hidroeléctricas se construyen en los cauces de los ríos, creando
un embalse para retener el agua. Para ello se construye un muro grueso de
piedra, hormigón u otros materiales, apoyado generalmente en alguna
montaña.
La masa de agua embalsada se conduce a través de una tubería
hacia los álabes de una turbina que suele estar a pie de presa, la cual
está conectada al generador. Así, el agua transforma su
energía potencial en energía cinética, que hace mover los
álabes de la turbina.
Centrales Térmicas
Una central térmica para producción de
energía eléctrica, es una instalación en donde la
energía mecánica que se necesita para mover el rotor del
generador y por tanto para obtener la energía eléctrica, se
obtiene a partir del vapor formado al hervir el agua en una caldera.
El vapor generado tiene una gran presión, y se hace llegar a las
turbinas para que su expansión sea capaz de mover los álabes de
las mismas.
Las denominadas
termoeléctricas clásicas son de: carbón, de fuel o gas
natural. En dichas centrales la energía de la combustión del
carbón, fuel o gas natural se emplea para hacer la transformación
del agua en vapor. Una central térmica clásica se compone de una
caldera y de una turbina que mueve al generador eléctrico. La caldera es
el elemento fundamental y en ella se produce la combustión del
carbón, fuel o gas.
Centrales Nucleares
Una central nuclear es una
central térmica. La diferencia fundamental entre las centrales
térmicas nucleares y las térmicas clásicas reside en la
fuente energética utilizada. En las primeras, el uranio y en las
segundas, la energía de los combustibles fósiles. Una central
nuclear es, por tanto, una central térmica en la que actúa como
caldera un reactor nuclear. La energía térmica se origina por las
reacciones de fisión en el combustible nuclear formado por un compuesto de
uranio. El combustible nuclear se encuentra en el interior de una vasija
herméticamente cerrada. El calor generado en el combustible del reactor
y transmitido después a un refrigerante se emplea para producir vapor de
agua, que va hacia la turbina, transformándose su energía en
energía eléctrica en el alternador.
La fisión nuclear es un
proceso por el cual los núcleos de ciertos elementos químicos
pesados se fisionan (se rompen) en dos fragmentos por el impacto de una
partícula (neutrón), liberando una gran cantidad de energía
con la que se obtiene, en la central nuclear, vapor de agua.
Las reacciones nucleares de
fisión fueron descubiertas por O. Hahn y F. Strassman en 1938.
Sólo dos isótopos del uranio y uno del plutonio cumplen las
condiciones necesarias para ser utilizados en las reacciones de fisión:
el uranio-233, el uranio-235 y el plutonio-239. De ellos, sólo el
segundo se encuentra en la naturaleza y en muy pequeñas cantidades, el
0'7% del uranio natural. Los otros dos se obtienen artificialmente.
Centrales Solares
Una central solar es aquella instalación en la que se
aprovecha la radiación solar para producir energía
eléctrica. Este proceso puede realizarse mediante dos vías:
- Fotovoltaica: Hacen incidir
las radiaciones solares sobre una superficie de un cristal semiconductor,
llamada célula solar, y producir en forma directa una corriente
eléctrica por efecto fotovoltaico.
Este tipo de centrales se están instalando en países donde el transporte de energía eléctrica se debería de realizar desde mucha distancia, y hasta ahora su empleo es básicamente para iluminación, y algunas aplicaciones domésticas. - Fototérmica: En las centrales
solares que emplean el proceso fototérmico, el calor de la
radiación solar calienta un fluido y produce vapor que se dirige
hacia la turbina produciendo luego energía eléctrica.
El proceso de captación y concentración de la radiación solar se efectúa en unos dispositivos llamados heliostatos, que actúan automáticamente para seguir la variación de la orientación del Sol respecto a la Tierra.
Existen diversos tipos de centrales solares de tipo
térmico, pero las más comunes son las de tipo torre, con
un número grande de heliostatos. Para una central tipo de solo 10 MWe,
la superficie ocupada por los heliostatos es de unas 20 Ha.
Centrales Eólicas
Una central eólica es una instalación en donde la
energía cinética del viento se puede transformar en
energía mecánica de rotación. Para ello se instala una
torre en cuya parte superior existe un rotor con múltiples palas,
orientadas en la dirección del viento. Las palas o hélices giran
alrededor de un eje horizontal que actúa sobre un generador de
electricidad: son los Aerogeneradores. A pesar de que aproximadamente un 1% de la energía
solar que recibe la Tierra se transforma en movimiento atmosférico, esta
energía no se distribuye uniformemente, lo que limita su
aprovechamiento. Existen además limitaciones tecnológicas para
alcanzar potencias superiores a un megavatio, lo cual hace que su utilidad
esté muy restringida. Una central eólica no es más que un
conjunto de aerogeneradores.
Centrales Geotérmicas
Una central geotérmica son
unas instalaciones que aprovecha la energía geotérmica para
producir energía eléctrica. Una central geotérmica no es
nada más que una central térmica en la que la caldera ha sido
reemplazada por el reservorio geotérmico y en la que la energía
es suministrada por el calor de la Tierra, en vez del petróleo u otro
combustible.
Central Mareomotriz
La energía mareomotriz es la energía asociada a las
mareas provocadas por la atracción gravitatoria del Sol y principalmente
de la Luna. Las mareas se aprecian como una variación del nivel del mar,
que ocurre cada 12h 30 minutos y puede suponer una diferencia del nivel desde
unos 2 metros hasta unos 15 metros, según la diferencia de la
topografía costera. La técnica utilizada consiste en encauzar el
agua de la marea en una cuenca y, en su camino, accionar las turbinas de una
central eléctrica. Cuando las aguas se retiran, también generan
electricidad, usando un generador de turbina reversible.
©2007
Javier de Lucas