energía para el futuro - ministerio de educación y
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InstitutoSuperior de
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La primera de nuestras colecciones se denomina Aulas deVerano, y pretende que todo el profesorado pueda acceder alconocimiento de las ponencias que se desarrollan durante losveranos en la Universidad Internacional Menéndez Pelayo deSantander, en los cursos de la Universidad Complutense en ElEscorial, en los de la Universidad Nacional de Educación aDistancia en Ávila y en los de la Fundación Universidades deCastilla y León en Segovia.
La segunda colección se denomina Conocimiento Educativo.Con ella pretendemos difundir las investigaciones realizadas por elprofesorado o grupos de profesores, el contenido de aquellos cur-sos de verano de carácter más general y dar a conocer aquellasacciones educativas que desarrolla el Instituto Superior deFormación del Profesorado durante el año académico.
Estas colecciones tienen un carácter de difusión y extensióneducativa, al servicio de la intercomunicación entre los docentes que desarrollan sus tareas en las distintasComunidades y Ciudades Autónomas de nuestro Estado.
Colección Aulas de Verano, que se identificacon el color "bermellón Salamanca"
• Serie "Ciencias" Color verde• Serie "Humanidades" Color azul • Serie "Técnicas" Color naranja• Serie "Principios" Color amarillo
Colección Conocimiento Educativo, que se identifica con el color "amarillo oficial"
• Serie "Didáctica" Color azul • Serie "Situación" Color verde • Serie "Aula Permanente" Color rojo • Serie "Patrimonio" Color violeta
ISBN: 978-84-369-4675-8
FUENTES DE ENERGÍAPARA EL FUTURO
MINISTERIO DE EDUCACIÓN, POLÍTICA SOCIAL Y DEPORTE SECRETARÍA DE ESTADO DE EDUCACIÓN Y FORMACIÓNDirección General de Formación ProfesionalInstituto Superior de Formación y Recursos para el Profesorado
Edita:SECRETARÍA GENERAL TÉCNICASubdirección General de Información y Publicaciones
Catálogo de publicaciones del MEPSYDhttp://www.mepsyd.es/Catálogo general de publicaciones oficialeswww.060.es
NIPO: 660-08-048-XISBN: 978-84-369-4675-8
Depósito Legal: M-49228-2008Imprime: Estilo Estugraf Impresores, S.L.
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Colección: AULAS DE VERANOSerie: Ciencias
FUENTES DE ENERGÍA PARA EL FUTURO
En la sociedad en general y, por supuesto, en cualquier nivel de ense-ñanza, con especial énfasis en la secundaria, es cada día más patente la preo-cupación creciente, tanto del alumnado como del profesional docente, por lostemas relacionado con la energía, según se pone de manifiesto en múltiplessituaciones. En este libro se presenta una perspectiva actualizada de las dife-rentes fuentes energéticas que se están utilizando actualmente y que se podránutilizar, a medio y largo plazo, para proporcionar, de manera coordinada o porsustitución, los requerimientos energéticos en los tres sectores de mayor con-sumo: transporte, industria y terciario (residencial y servicios).
En el libro también se pretende, así mismo, enfatizar los aspectosmedioambientales y tecnológicos de estas energías, analizándose los retos deinvestigación, desarrollo e innovación que ello supone y los impactos direc-tos e indirectos que su uso conlleva, así como las repercusiones indirectas decarácter social y económico.
Este libro está especialmente dirigido a los profesores de secundaria enespecial a los de bachillerato, estando todo ello situado en el contexto quedeterminan las enseñanzas curriculares del nuevo bachillerato.
Dirección editorial del volumen Fuentes de Energía para el Futuro:MARIA DEL ROSARIO HERAS CELEMÍN
Coordinación: IGNACIO GUERRA PLASENCIA
Autores:
BALLESTEROS PERDICES, MercedesFERRANDO VITALES, FernandoGARCÍA GÓMEZ-TEJEDOR, GustavoGONZÁLEZ GARCÍA-CONDE, AntonioGUERRA PLASENCIA, IgnacioHERAS CELEMÍN, María del Rosario LAVANDEIRA ADÁN, Juan CarlosLÓPEZ MARTÍNEZ, CayetanoMONTES PONCE DE LEÓN, Manuel WILLIART TORRES, Amalia ZARZA MOYA, Eduardo
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Introducción ........................................................................................ 7Mª del Rosario Heras Celemín
Fuentes de energía: sus orígenes, ventajas y desventajas. Recursos energéticos: situación actual y perspectivas ...................... 11Gustavo García Gómez-Tejedor
Impacto ambiental de la energía ........................................................ 31Amalia Williart Torres
Energías de fisión y fusión: situación actual y perspectivas de futuro ...................................................................... 53Cayetano López Martínez
Hidrógeno y pilas de combustible:expectativas y oportunidades .............................................................. 91Antonio González García-Conde
Energía eólica: situación actual y perspectivas de futuro .................. 113Fernando Ferrando Vitales
La biomasa como recurso energético .................................................. 125Mercedes Ballesteros Perdices
Plantas solares termoeléctricas: estado actual y perspectivas .......... 141Eduardo Zarza Moya
Energía solar fotovoltaica, energía solar térmica y frío solar ............ 191Juan Carlos Lavandeira Adán
Aplicaciones de la energía solar en la edificación. Proyecto ARFRISOL ............................................................................ 221M. del Rosario Heras Celemín
La energía en los nuevos currículos de bachillerato .......................... 259Ignacio Guerra Plasencia
La I+D energética para el futuro ........................................................ 281Manuel Montes Ponce de León
Ediciones del Instituto Superior de Formación y Recursos en red para el Profesorado ................................................ 307
ÍNDICE
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El propósito de este libro es analizar las diferentes fuentes energéticasque se están utilizando actualmente, haciendo énfasis en los aspectos medio-ambientales y tecnológicos de estas energías. Para ello, se exponen las carac-terísticas y el estado actual de la investigación y el desarrollo en que seencuentran tanto las energías convencionales como las renovables, así comola nuclear, las pilas de combustible y el hidrogeno como vector energético. Asímismo, se consideran las diferentes posibilidades de ahorro de energía, dereducción de la demanda y de aumento de la eficiencia energética, particula-rizando para la situación energética de España. Todo ello partiendo del creci-miento continúo de la demanda y la carencia de fuentes energéticas a escalanacional que están obligando, con mayor intensidad que en otros países de laUnión Europea, a buscar en las energías renovables la alternativa del futuro.
En las diferentes fuentes de energía se analizan los retos de investiga-ción, desarrollo e innovación de cada una, así como los impactos directos eindirectos que su uso conllevan, considerando las repercusiones indirectas decarácter social y económico. Estos análisis se sitúan en el contexto que deter-minan las enseñanzas curriculares del nuevo bachillerato.
Atendiendo a estos propósitos, los capítulos del libro se han distribuido endos partes bien diferenciadas, los primeros capítulos se dedican al análisis globalde las diferentes fuentes energéticas, sus impactos medioambientales, energíanuclear y vector hidrogeno más pilas de combustibles, siendo los últimos capí-tulos los dedicados al análisis de las fuentes de energías renovables (eólica, bio-masa y solar: termoeléctrica, fotovoltaica, térmica de baja temperatura y aplica-ción a la edificación para reducir la demanda de energía, sin olvidar la tecnolo-gía de “frío solar”), para terminar con la exposición de cómo se contempla laenseñanza de la energía en los currículos de enseñanza secundaria y bachillera-to, finalizando con los programas de I+D existentes, auspiciados por el MEC.Por lo tanto, la estructura del libro en capítulos es de la siguiente manera:
INTRODUCCIÓN
María del Rosario Heras CelemínInvestigadora Titular
Jefa de la Unidad de Eficiencia Energética en la EdificaciónDepartamento de Energía. CIEMAT
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En el primer capítulo, el profesor Gustavo García Gómez-Tejedor(CSIC) da una visión general de las diferentes fuentes de energía, exponiendosus orígenes, ventajas y desventajas de cada una de ellas, así como analiza lasituación actual y perspectivas de los diversos recursos energéticos que existeny pueden ser usados.
El siguiente capítulo se dedica al análisis del Impacto Ambiental de laEnergía y sus repercusiones, siendo la autora la Profesora Amalia WilliartTorres (UNED) quien, partiendo de la definición de impacto ambiental y susescalas, describe los diferentes impactos, comparando los producidos por lasdiferentes fuentes de energía, y plantea medidas para minimizar su influencia.
El capitulo sobre el estudio de las Energías de Fisión y Fusión: Situa-ción actual y Perspectivas de futuro, tiene como autor al Profesor CayetanoLópez Martínez (CIEMAT) quien expone la situación en que se encuentraactualmente la fisión nuclear, analizando las ventajas e inconvenientes deesta tecnología y analizando los reactores nucleares de nuevas generaciones, para concluir con la exposición de la investigación que se esta llevando acabo sobre la fusión nuclear, especialmente en el proyecto del ITER.
El siguiente capitulo se dedica al estudio del Hidrógeno y Pilas deCombustible: Expectativas y Oportunidades siendo el autor AntonioGonzález García-Conde (INTA), dándose una visión de la economía delhidrógeno basada en su obtención a partir de recursos autóctonos. Para elloes necesario superar desafíos técnico - científicos, sociales y políticos, lle-vando a cabo actividades de I+D para conseguir la penetración del hidróge-no en el mercado mundial de la energía, como son el desarrollo de sistemasde pilas de combustible y de almacenamiento de hidrógeno que sean fiables,seguros, duraderos y económica y medioambientalmente aceptables.
El capitulo dedicado al estudio de la Energía Eólica: Situación actualy Perspectivas de futuro, cuyo autor es Fernando Ferrando Vitales (ENDE-SA), parte de la premisa de que la energía eólica no es la solución a todos losproblemas energéticos … pero la solución pasa por la eólica. Expone lamadurez tecnológica, industrial y comercial de esta tecnología y su competi-tividad frente a las fuentes convencionales, haciendo énfasis en el gran des-pliegue logrado en España, donde es una pieza fundamental por el valor aña-dido social y económico, aunque su conocimiento aún no forma parte de loscontenidos educativos en los distintos niveles y precisa de un apoyo definidopor parte de las Administraciones.
El siguiente capitulo se dedica al estudio de la Biomasa como RecursoEnergético. En él, la autora. Mercedes Ballesteros Perdices (CIEMAT), hace
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una descripción de la disponibilidad y posibilidades de su utilización confines energéticos, así como de los diferentes procesos de su transformaciónpara ser utilizados tanto con fines térmicos, eléctricos o como biocombusti-bles, lo que supone una reducción en el consumo de energía convencional endiversos usos y aplicaciones (transporte, industria, residencial y servicios).
En el capitulo dedicado al análisis de las Plantas Solares Termo-eléctricas: Estado actual y perspectivas, Eduardo Zarza Moya (PSA-CIE-MAT) hace una descripción del porqué del reciente interés en este tipo deaplicaciones de la energía solar basada en la concentración de la radiaciónsolar que ha dado lugar a diferentes tecnologías: de receptor central, de dis-cos parabólicos, o de captadores cilindro parabólicos. Además, compara lasdiferentes tecnologías de estas plantas solares, haciendo énfasis en la situa-ción actual y sus perspectivas futuras en España, y presenta la PlataformaSolar de Almería como el mayor laboratorio de ensayo a nivel mundial eneste tipo de aplicaciones de la energía solar.
El capitulo dedico al estudio de las diferentes aplicaciones de laEnergía Solar Fotovoltaica. Energía Solar Térmica y Frío Sol, de Juan CarlosLavandeira Adán (ClimateWell) quien expone las aplicaciones de estas tec-nologías, tan actuales en España, para generación de energía eléctrica en lasplantas fotovoltaicas, como en las aplicaciones térmicas, calentamiento deagua, para su aplicación en edificios tanto para apoyo a calefacción comopara obtener refrigeración, en la tecnología conocida como “frío solar”.
El siguiente capitulo se dedica al estudio de las aplicaciones de laEnergía Solar en la edificación, siendo la autora María del Rosario HerasCelemín (CIEMAT), quien expone cómo la energía solar puede suplir losrequerimientos energéticos de los edificios en cuanto a calefacción, refrige-ración e iluminación, con lo que se reduce substancialmente el consumoenergético de energía convencional y se disminuye las emisiones de CO2 yotros agentes de polución a la atmósfera. Hace hincapié en que, aunque haentrado en vigor una nueva normativa de edificación en España -CódigoTécnico de la Edificación (CTE)- aún queda mucha investigación por hacerpara utilizar las técnicas naturales de acondicionamiento y cuantificar losahorros conseguidos en los edificios, por lo que expone un Proyecto ambi-cioso y de ámbito nacional, el PSE-ARFRISOL, que actualmente se esta des-arrollando con ese fin.
En el capitulo del profesor Ignacio Guerra Plasencia (Real Instituto deJovellanos, Gijón) se analiza como se contempla la energía en los nuevoscurrículos de bachillerato, comenzando con un análisis del borrador del RealDecreto de las Enseñanzas Mínimas y contrastando los programas de física
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en los bachilleratos español e internacional, para comprender el diferente tra-tamiento que se da a la energía, siendo la diferencia más importante el que enel bachillerato español no se considera la energía de una manera global, única-mente se dan aspectos conceptuales y sin considerar las actividades practicas,donde estas deberían ser obligatorias en el bachillerato. Por lo tanto, se abogapor una modificación adecuada de los planes de estudio de las ciencias experi-mentales en el Bachillerato y, en particular, de la Física, como una tarea urgen-te a llevar a cabo.
Y en el último capitulo se expone el Programa de Energía del PlanNacional I+D del MEC, siendo el autor Manuel Montes Ponce de León(MEC), quien plantea que para poder mantener los estándares de calidad devida de las sociedades industrializadas y permitir un desarrollo sostenible quellegue a los países en vías de desarrollo y a los países con economías másdeprimidas, es necesario un esfuerzo importante en I+D que permita una rápi-da introducción de las energías renovables. Por ello, el MEC tiene en marchaun Plan Nacional subvencionando diferentes proyectos para intentar conseguirun cambio de la cultura energética con sistemas de generación distribuidos,introducción de nuevos portadores y almacenamientos energéticos que garan-ticen el máximo aprovechamiento del régimen alternante de producción de lasenergías renovables y soporten las fuertes fluctuaciones del consumo.
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INTRODUCCIÓN
La energía es una de las mayores preocupaciones de la sociedad actual.Es el motor y el espejo de nuestra actividad económica y bienestar social. Porlo tanto, es un tema que se encuentra en boca de todos, como simple opinión,como curiosidad o en ocasiones, cuando se trata de personas que ocupanpuestos de responsabilidad, como objeto de decisión. Sin embargo, es unamateria compleja tanto por lo relativo a sus orígenes como a su distribución,su utilización, sus implicaciones políticas y sus consecuencias medioambien-tales. Son muchos los factores científicos, políticos, sociales y económicosque hay que considerar para tener una idea razonable sobre la situación ener-gética, nacional e internacional, que permita cualquier decisión posterior.
FUENTES DE ENERGÍA: SUS ORÍGENES, VENTAJAS YDESVENTAJAS. RECURSOS ENERGÉTICOS:
SITUACIÓN ACTUAL Y PERSPECTIVAS
Gustavo García Gómez-TejedorInstituto de Matemáticas y Física Fundamental (CSIC)
INTRODUCCIÓN
1. LA ENERGÍA
2. FUENTES NATURALES DE ENERGÍA2.1. El Sol2.2. Obtención directa de la energía del Sol2.3. Obtención de energía por combustión2.4. Obtención de energía del núcleo atómico2.5. Aprovechamiento de la energía mecánica
3. TRANSFORMACIÓN DE LA ENERGÍA PRIMARIA3.1.Generación de energía eléctrica3.2.Otras transformaciones de la energía primaria
4. LA DEMANDA ENERGÉTICA
5. RECURSOS ENERGÉTICOS Y RESERVAS ENERGÉTICAS
BIBLIOGRAFÍA
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Este capítulo constituye una primera aproximación al problema. En élse expondrán algunas consideraciones generales sobre la energía, sus oríge-nes y los mecanismos físico-químicos de transformación. Se describirán lasfuentes naturales de energía y su potencial desarrollo, haciendo un primeranálisis sobre las posibles ventajas y desventajas de cada una de ellas.Finalmente, se introducirán los conceptos de recursos y reservas energéticascomo fuentes rentables de suministro y se revisará la situación actual de lasreservas, así como las previsiones futuras.
1. LA ENERGÍA
El concepto de energía (E) es uno de los más útiles para comprenderlas complejas transformaciones que tienen lugar en los sistemas materiales.La descripción del papel que juega en dichos sistemas constituye la base delas formulaciones más abstractas de la física:
H |Ψ> = E |Ψ> (1)
E = mc2 (2)
E = hc / λ (3)
Donde (1) es la conocida ecuación de Schrödinger1 que proporcionalos estados propios de la energía de sistemas microscópicos, (2) es la famosaecuación de Einstein2 en la que establece la correspondencia entre masa yenergía justificando el origen de la energía atómica y (3) es la no menosimportante ecuación de Planck3 que establece que la transferencia de energíaelectromagnética entre sistemas microscópicos se realiza intercambiando unnúmero entero de “paquetes de energía” o “cuantos” cuya entidad sería pos-teriormente demostrada por Einstein4.
La palabra energía tiene origen griego [energeia=en+ergon (trabajo)]y su significado se corresponde bastante bien con la definición general quese da en los cursos de física: capacidad para realizar un trabajo. Trabajo yenergía son dos manifestaciones de una misma magnitud física que están en
1 E. Schrödinger, Ann. Phys. (Leipzig) 489, 79 (1926).2 A. Einstein, Annalen der Physik 17, 639 (1905).3 M. Plank, Annalen der Physik 4, 553 (1901).4 A. Einstein, Annalen der Physik 17, 132 (1905).
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continua transformación. Se miden por lo tanto en las mismas unidades, esdecir en Julios en el Sistema Internacional de medidas, aunque por motivosde simplicidad numérica o simplemente históricos se utilicen diferentes uni-dades dependiendo del sistema que estemos considerando: electrón-voltio,ergio, kilovatio-hora, etc.
La generación de energía implica por lo tanto la realización de untrabajo y una vez generada podría ser transformada en otra forma deenergía o bien ser invertida de nuevo en la realización de un determina-do trabajo. Ahora bien en todas estas transformaciones siempre hay unacierta cantidad de energía que se pierde, generalmente en forma de calor,y que no puede ser recuperada (rozamiento, fricción, deformación, etc.).Esto nos lleva al concepto de rendimiento o porcentaje efectivo de utili-zación de la energía, concepto que siempre debemos de tener en cuentaa la hora de valorar la eficacia de un determinado proceso de generaciónde energía. Aunque el rendimiento tiene un significado intuitivo y fácilde comprender, hay que tener cierto cuidado en su aplicación, pues elefecto no deseado depende de la utilización que se pretenda de la ener-gía. Es decir, en la propulsión de un vehículo el calentamiento suponeuna pérdida de energía afectando negativamente a su rendimiento mien-tras que en la utilización de la energía como calefacción serían las dila-taciones y las pérdidas de energía mecánica las indeseadas.
Esto nos lleva a otro aspecto importante sobre las cuestiones gene-rales de la energía y es su capacidad de almacenamiento. Si utilizamos laenergía a través de sus continuas transformaciones, sería bueno almacenarlapara que pueda ser utilizada cuando sea necesario habiéndola generado en lascondiciones más favorables. Como veremos, el almacenamiento no siem-pre es posible, o más bien casi nunca es rentable debido a las pérdidas queconlleva.
En este último párrafo se ha mencionado otro de los aspectos queno debemos olvidar al evaluar una posible fuente de energía: el aspectoeconómico. No se trata únicamente de generar energía sino de que laenergía generada sea económicamente competitiva. El mercado energé-tico es uno de los ejemplos más claros de la situación de globalizaciónque vivimos actualmente. Sus precios no sólo dependen de cuestionestécnicas relacionadas con la producción y la demanda sino que se venafectados por movimientos políticos y económicos producidos en cual-quier punto del planeta y el suministro energético no tiene fronteras. Enestas condiciones es difícil imaginar la subsistencia de una explotaciónenergética no rentable, salvo que existan otros intereses apoyados consubvenciones.
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2. FUENTES NATURALES DE ENERGÍA
La principal fuente natural de energía es el Sol, ya sea por su accióndirecta (aprovechamiento de la energía solar) o indirecta (formación de com-bustibles fósiles, biomasa, generación de vientos). Otra fuente natural es laradioactividad (energía nuclear, energía geotérmica) y finalmente el aprove-chamiento de la fuerza gravitatoria que origina las mareas y los saltos deagua. A través de una descripción de las principales características de estasfuentes naturales indicaremos algunos procedimientos utilizados para suaprovechamiento energético, los principios científicos en los que se basan yestimaciones sobre su rendimiento.
2.1. El Sol
El Sol se formó hace unos 4.500 millones de años por la compresióngravitatoria del fondo interestelar, rico en hidrógeno. El calentamiento origi-nado por ese aumento de presión le permite alcanzar temperaturas interioresdel orden de 107 K que son lo suficientemente altas para provocar la fusión delos núcleos de hidrógeno, formando helio y liberando una gran cantidad deenergía. En la Figura 1 se representa un esquema simplificado de la reacciónneta de fusión que tiene lugar en el interior del Sol.
La energía solar es por lo tanto de origen nuclear pero nos llega a la tierraen forma de emisión térmica después de un largo de proceso de interacción conlas cargas que constituyen sus capas más externas. De una manera similar a laenergía que radian las cargas oscilantes de un filamento incandescente en virtudde su temperatura, las cargas de la superficie solar emiten energía electromagné-tica con una temperatura equivalente de 5.770 K. De hecho si comparamos elespectro de emisión (intensidad de la radiación en función de su longitud deonda) de una bombilla incandescente a dicha temperatura con el correspondien-te del Sol, excepto por la absorción atmosférica que tiene lugar a longitudes dede onda cortas, se obtienen distribuciones casi coincidentes (ver Figura 2).
Figura 1. Representación esquemática de la reacción neta de fusión nuclear enel interior del Sol.
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La mayor parte de la energía utilizada por los seres vivos en la tierraproviene en origen del Sol. La energía total que llega a la tierra desde el Soles de 178.000 teravatios-año (1 teravatio=1012 vatios), lo que supone unas15.000 veces el suministro energético mundial. Si toda esta energía pudieseser aprovechada no estaríamos hablando del problema energético, pero lasituación es muy distinta. En la Figura 3 se representa un esquema de lasposibles vías de la radiación solar al incidir sobre la superficie terrestre.
A pesar de las elevadas cifras que se muestran en la Figura 3 y del aprove-chamiento que los seres vivos hacen de ella, la utilización directa de la energíasolar apenas tiene incidencia en el suministro energético internacional.
2.2. Obtención directa de la energía del Sol
El aprovechamiento directo de la energía solar se basa en dos procesosfísicos totalmente diferentes. El primero y más intuitivo consiste en la simpletransmisión de su energía calorífica. Todos los cuerpos absorben y emiten laradiación térmica, por lo que técnicamente este proceso consiste en la elección
Figura 2. Comparación del espectro de emisión del Sol con el de un cuerpo incandescente a 5.770 K.
Figura 3. Reparto de la radiación solar que llega a la tierra.
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de materiales altamente absorbentes, con emisión bajas y susceptibles de ais-lamientos que dirijan el intercambio de calor en la dirección deseada (calenta-miento de agua principalmente) minimizando las pérdidas indeseadas. Los sis-temas basados en estos procesos se conocen como “sistemas solares térmicos”.El otro mecanismo, más sofisticado, se basa en el aspecto corpuscular quepuede mostrar la luz al interaccionar con sistemas microscópicos. Ciertos mate-riales semiconductores pueden absorber los corpúsculos luminosos aumentandola energía potencial de su estructura electrónica y convirtiéndose en “pequeños”generadores eléctricos capaces de descargar dicha energía en un circuito exter-no. El término pequeño se ha utilizado para indicar que el salto energético quepor unidad de carga puede ser inducido en el material es pequeño, por lo quedebe de organizarse en celdas que mediante asociaciones en serie y en para-lelo consiguen un voltaje utilizable por los circuitos eléctricos con una poten-cia razonable. Esta peculiar forma de generación de energía se denominaenergía solar “fotovoltaica” y a diferencia de otros procesos que se describi-rán más adelante, la energía fotovoltaica genera corriente continua.
Problemas tecnológicos relacionados con su rendimiento y otras razo-nes, principalmente económicas, han hecho que la fuente más próxima, res-petuosa con el medioambiente y prácticamente inagotable juegue un papelsecundario en el panorama energético actual.
No obstante, el protagonismo indirecto del Sol en la generación decombustibles es indiscutible. Hoy por hoy, los combustibles fósiles todavíarepresentan la principal fuente de energía suponiendo más del 80% del con-sumo mundial de energía primaria.
2.3. Obtención de energía por combustión
La combustión es una reacción química en la que se libera energíacomo consecuencia de la ruptura de enlaces moleculares. Recurriendo a unade las representaciones más simples pero efectivas de la estructura de lamateria, ésta estaría constituida por átomos que se asocian entre sí medianteenlaces de mayor o menor energía para formar moléculas, agregados, líqui-dos, sólidos, etc. dependiendo de la fuerza y naturaleza de esos enlaces. Sitomamos el átomo como unidad de materia y utilizamos los modelos deRutherford5 y Bohr6 de principio del siglo XX, el átomo, cuyo estado naturales neutro, está formados por partículas, algunas de ellas con carga, que se dis-tribuyen de la siguiente manera: las partículas de mayor masa, protones yneutrones, se agrupan en su centro definiendo una minúscula región, de apenas
5 E. Rutherford, Phys. Rev. 13, 321 (1901).6 N. Bohr, Nature 92, 231 (1914).
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10-15 m de radio que llamaremos núcleo y con una carga neta positiva origi-nada por los protones. Todo el volumen restante del átomo, hasta alcanzar unradio del orden de 10-10 m, está ocupado por las partículas más ligeras, loselectrones, de carga negativa. Comparando estos radios y teniendo en cuentala mencionada neutralidad, en el estado natural de un átomo el número deelectrones coincide con el número de protones (Z) por lo que el átomo, tieneuna gran densidad de partículas entorno a su centro pero la mayor parte delvolumen que ocupa está vacío. En la Figura 4 se muestra una representacióndel átomo en función del número de protones y neutrones. Como lo que aquínos interesa del átomo son los aspectos relacionados con la generación deenergía, hay un dato que es extremadamente importante: la energía de enlacede estas partículas. Los electrones ocupan la mayoría del volumen atómicopero su energía de enlace, la fuerza que los une al átomo, es débil, tan sólode algún electrón-voltio para los más externos. Su origen es de tipo electros-tático, es decir de interacción entre cargas eléctricas, y como consecuencia desu largo alcance permite interacciones con átomos vecinos dando lugar atodas las posibles reacciones químicas.
Desde el punto de vista energético, la reacción química más importan-te es la combustión. Todos los hidrocarburos, cadenas formadas por átomosde carbono e hidrógeno enlazados entre sí, pueden reaccionar con el oxígenodestruyendo estos enlaces, resultando como productos dióxido de carbono yagua y liberando la energía que contenían dichos enlaces. Esta reacciónpodría representarse de la siguiente manera:
CnHm + O2 → CO2 + H2O + Energía (eV)
Tal como hemos dicho, la energía de cada uno de estos enlaces es rela-tivamente pequeña, por lo que la combustión requiere la destrucción de unelevado número de enlaces de carbono e hidrógeno para obtener una cantidadapreciable de energía. Uno de los mayores inconve ientes de la combustión
Figura 4. Representación esquemática del átomo y los elementos químicos.F
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se debe precisamente a uno de sus productos: el dióxido de carbono (CO2).El CO2 es una molécula esencial para la vida, es el elemento que utilizan lasplantas para generar cadenas orgánicas de carbono mediante la fotosíntesis yademás, por su capacidad de absorción de la radiación infrarroja, es uno delos reguladores de la temperatura superficial de nuestro planeta. El exceso decombustión originado por la actividad humana está modificando las concen-traciones de equilibrio de CO2 en la atmósfera con lo que estamos asistiendoa un aumento de la temperatura media del planeta (calentamiento global).
2.4. Obtención de energía del núcleo atómico
Volviendo a nuestra representación del átomo, nos fijamos ahora en elnúcleo. Esta diminuta región está formada por partículas de gran masa, 1800veces la masa del electrón, que se encuentran ligadas entre sí por una granfuerza que es independiente de la carga y sólo actúa a distancias cortas delorden del radio del núcleo. Como para esta fuerza el protón y el neutrón tie-nen el mismo comportamiento agruparemos a estas dos partículas con el tér-mino nucleón cuando hablemos de sus propiedades nucleares. La energía deun enlace nuclear, entre nucleones, es del orden de megaelectron-voltios, esdecir 1.000.000 de veces mayor que la de un enlace entre electrones. En lasreacciones nucleares se rompen y reorganizan enlaces nucleares liberandoparte de su energía. Un esquema de estas reacciones podría ser el siguiente:
a+ZAX → b + Z’
A’Y + Energía (MeV)
Para entender qué tipo de reacciones nucleares son las que liberanenergía se ha representado en la Figura 5 la energía de enlace por nucleónpara todos los núcleos conocidos.
Figura 5. Energía de enlace por nucleón en función del número másico.
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Como puede verse existe un amplio máximo entre Z=20 y Z=150. Estoquiere decir que los núcleos de Z pequeña (hidrógeno, helio) ganan estabili-dad, y por lo tanto liberan energía, en reacciones en las que dos núcleos lige-ros se fusionen para dar lugar a un núcleo más pesado, mientras que por elcontrario, lo núcleos más pesados (uranio, plutonio) tienden a producir reac-ciones en las que se fisionan para dar lugar a núcleos más ligeros. Este es elmotivo por el que hay dos tipos de dispositivos para la extracción de la ener-gía del núcleo: los dispositivos de fisión, en los que se basan la totalidad delas centrales nucleares que existen hoy en día para la obtención de energíaeléctrica y los dispositivos de fusión que actualmente se encuentran en fasede experimentación.
Desde el punto de vista energético la fisión es altamente favorable,aunque su utilización presenta algunos inconvenientes prácticos. El principalde ellos es que los productos de las reacciones de fisión siguen teniendo acti-vidad nuclear. Es decir no son núcleos estables sino que continúan durante unlargo periodo de tiempo (años) emitiendo electrones de alta energía (β),núcleos de helio (α) y fotones (γ), principalmente) hasta conseguir una con-figuración estable. Estas emisiones (radiactivas) interaccionan con la materiaproduciendo alteraciones estructurales que pueden traducirse en disfuncionesbiológicas (daño por radiación). En cambio la fusión nuclear, como es lafuente primaria de la energía de las estrellas y en particular del Sol, goza deuna gran prensa. Efectivamente la reacción representada en la figura pareceuna reacción limpia, sin emisiones radiactivas posteriores. Sin embargo, laenorme cantidad de energía que hay que invertir para vencer la repulsióneléctrica entre los núcleos de hidrógenos y poder situarlos dentro del alcancede la fuerza nuclear la convierte en un proceso inabordable para nuestra tec-nología actual. Hoy por hoy la fusión nuclear se encuentra en fase de experi-mentación. En primer lugar se ha renunciado a la reacción que tiene lugar enel Sol y se ha recurrido a la fusión de variantes del hidrógeno (isotopos) quecontienen uno o dos neutrones en su núcleo (deuterio y tritio, respectiva-mente). El tritio es un elemento escaso y radiactivo, además la reacción defusión deuterio-tritio genera neutrones que pueden generar otras reaccionesnucleares en materiales estructurales. Aunque no se aspire a una situación tanidílica como la de tener un Sol en la tierra, los reactores de fusión han expe-rimentado un importante desarrollo tecnológico a través de colaboracionesinternacionales en las que España ha jugado un importante papel por lo quecabe esperar resultados prácticos en un futuro no muy lejano.
En la Figura 6 se muestran un reactor de fisión utilizado para la ob-tención de energía eléctrica y un esquema del proyecto del reactor de fu-sión ITER donde se investigará el futuro desarrollo de una central defusión nuclear.
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Fuentes de energía para el futuro
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2.5. Aprovechamiento de la energía mecánica
El campo gravitatorio terrestre confiere energía potencial a los objetosen virtud de su posición. La conversión de esta energía potencial en cinética,es decir la puesta en movimiento del objeto por acción del campo puede serutilizado como fuente de energía. Este sería el caso de la energía hiroeléctri-ca, del aprovechamiento de corrientes de agua, de las mareas, etc… en gene-ral toda la materia en movimiento es susceptible de generar energía (viento,mareas, emisiones gaseosas, aguas subterraneas, etc.) si se encuentra el des-arrollo tecnológico apropiado que haga rentable su aprovechamiento. La ven-taja de estas fuentes frente a las reacciones químicas y nucleares es que suaplicación es más directa, no necesitan en general muchas transformacionesintermedias pero su fuerza y continuadad escapan más a nuestro control.
3. TRANSFORMACIÓN DE LA ENERGÍA PRIMARIA
Las fuentes naturales proporcionan la energía primaria pero su utiliza-ción requiere una transformación previa que depende de la necesidad ener-gética que se quiera cubrir. Una gran parte de estas necesidades se cubren conenergía eléctrica, por lo que la generación de electricidad es la principaltransformación de la energía primaria, de hecho alguna de estas fuentes,como es el caso de la energía nuclear, sólo pueden ser utilizadas a través desu conversión en energía eléctrica.
3.1. Generación de energía eléctrica
Por su naturaleza, tan sólo una de las fuentes naturales de energía quehemos comentado es capaz de generar directamente electricidad: la energíasolar fotovoltaica. Sin duda esto es una ventaja para muchas aplicaciones,
Figura 6. Izquierda, central nuclear de fisión (Trillo). Derecha, esquema del reactor experimental de fusión nuclear ITER.
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especialmente aquellas que demandan corriente continua de tensión baja,como son las aplicaciones electrónicas, pero resulta un inconveniente a lahora de compatibilizar su generación con la de otras fuentes. No olvidemosque la red suministro de electricidad es única y en ella confluyen todas lasfuentes de generación, por lo que si no se uniformizan las tensiones y fre-cuencias en lugar de aumentar la energía suministrada podríamos hacer con-tribuciones destructivas al añadir fuentes discordantes.
En la Figura 7 se muestra un esquema de la generación directa deelectricidad en un material semiconductor (silicio) al ser iluminado por laradiación solar
Al margen de aplicaciones particulares y pensando en el suministroeléctrico general, las principales fuentes de energía, por orden de importan-cia, son la combustión (centrales térmicas), la fisión nuclear (centrales nucle-ares), la energía hidráulica (centrales hidroeléctricas) y la energía del viento(centrales eólicas). Ninguna de ellas produce directamente electricidad por loque requieren una transformación física basada en la ley de Faraday7:
d φmε = –––––– (4)d t
Puede que esta pequeña expresión matemática nos deje indiferentes, pero sinembargo representa uno de los fenómenos físicos que ha tenido una de las mayoresimplicaciones en el desarrollo tecnológico de toda la maquinaria eléctrica y en el
Figura 7. Generación directa de electricidad iluminando materiales semiconductores: energía fotovoltaica.
7 FARADAY, M (1910). The forces of matter. P.F. Collier & Son.
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