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1 Energía y Sociedad. Energías alternativas. Economía del hidrógeno. Parte II Energía y sociedad. Consumo de energía. Fuentes de energía. Combustibles fósiles. Energías alternativas. Energías renovables. El hidrógeno como fuente de energía. Calentamiento global (previsiones). El consenso científico: Calentamiento medio de 0,2ºC por década A concentración constante de GEI se produciría un aumento de 0,1% anual La temperatura a finales de siglo aumentaría entre 1,8 y 4ºC ¿Qué hacer para reducir los GEI? Reducir el consumo Cambio del modelo energético actual Utilizar energías limpias Combustibles renovables Captura de CO 2 Cambio climático y energías alternativas. UMU 2010 Ciclo del carbono El ciclo del carbono es la sucesión de transformaciones que sufre el carbono a lo largo del tiempo. El ciclo comprende dos ciclos que se suceden a distintas velocidades. Ciclo biológico Intercambios de carbono (CO 2 ) entre los seres vivos y la atmósfera (fotosíntesis). El carbono queda retenido en las plantas y la respiración que lo devuelve a la atmósfera. Este ciclo es relativamente rápido (renovación cada 20 años). Ciclo biogeoquímico. Regula la transferencia de carbono entre la atmósfera y la litosfera (océanos y suelo). Es de larga duración, al verse implicados los mecanismos geológicos. Cambio climático y energías alternativas. UMU 2010
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Energía y Sociedad. Energías alternativas. Economía del hidrógeno.
Parte II
Energía y sociedad. Consumo de energía. Fuentes de energía.
Combustibles fósiles. Energías alternativas. Energías renovables. El
hidrógeno como fuente de energía.
Calentamiento global (previsiones). El consenso científico:Calentamiento medio de 0,2ºC por décadaA concentración constante de GEI se produciría un aumento de 0,1% anualLa temperatura a finales de siglo aumentaría entre 1,8 y 4ºC
¿Qué hacer para reducir los GEI? Reducir el consumo Cambio del modelo energético actual Utilizar energías limpias Combustibles renovables Captura de CO2
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Ciclo del carbono
El ciclo del carbono esla sucesión detransformaciones quesufre el carbono a lolargo del tiempo. Elciclo comprende dosciclos que se suceden adistintas velocidades.
Ciclo biológico
Intercambios de carbono (CO2) entre los seres vivos y la atmósfera(fotosíntesis). El carbono queda retenido en las plantas y la respiraciónque lo devuelve a la atmósfera. Este ciclo es relativamente rápido(renovación cada 20 años).
Ciclo biogeoquímico.
Regula la transferencia de carbono entre la atmósfera y la litosfera(océanos y suelo). Es de larga duración, al verse implicados losmecanismos geológicos.
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Consumo de combustibles fósiles
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Energía y SociedadEl modelo energético actual se
basa, mayoritariamente, en el
consumo de combustibles fósiles
para el transporte y la generación de
energía eléctrica. Hay dos factores
que ponen en entredicho la
supervivencia de este modelo: el
agotamiento de las reservas de
combustible y el calentamiento
global.
Sostenibilidad energética
Consumo energético industrial y doméstico
Eficiencia en el consumo
Materiales y tecnologías eficientes
Fuentes de energías alternativas
Captura del CO2
Transportes no contaminantes
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Fuentes de energía Renovables o agotables
Las fuentes de energía se pueden dividir en dos grandes
subgrupos: permanentes (renovables) y temporales (agotables).
Las fuentes permanentes son las que tienen origen solar, de
hecho, se sabe que el Sol permanecerá por más tiempo que la
Tierra.
El concepto de renovabilidad depende de la escala de tiempo
que se utilice y del ritmo de uso de los recursos.
Los combustibles fósiles se consideran fuentes no renovables
ya que la tasa de utilización es muy superior al ritmo de
formación del propio recurso.
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Fuentes de energía no renovables
Energía fósil
Los combustibles fósiles se puedenutilizar en forma sólida (carbón) olíquida-gaseosa (petróleo y gasnatural). Son acumulaciones deseres vivos que vivieron hacemillones de años. En el caso delcarbón se trata de bosques dezonas pantanosas, y en el caso delpetróleo y el gas natural degrandes masas de plancton marinoacumuladas en el fondo del mar.
Balance energético de distintos procesos de combustión
Contenido energético (kJ)
Entalpía
de
reacción
Por mol
de O2
Por mol de
combustible
Por gr de
combustible
Moles
de CO2
por 1 kJ
Gas: CH4 + 2O2 → CO2 + 2 H2O 810 405 810 51,6 1,2
Petróleo:2(-CH2-)+3O2→2CO2+ 2H2O 1220 407 610 43,6 1,6
Carbón:4(-CH-)+5O2 → 4CO2 + 2H2O 2046 409 512 39,3 2,0
Energía Nuclear
Hay dos formas de aprovechar la energía nuclear para convertirla en calor: la fisión nuclear, en la que un núcleo atómico se subdivide en dos o más grupos de partículas, y la fusión nuclear, en la que al menos dos núcleos atómicos se unen para dar lugar a otro diferente.
El núcleo atómico de algunos elementos pesados como el uranio, puede ser desintegrado (fisión nuclear) y liberar energía radiante y cinética. Las centrales termonucleares aprovechan esta energía para producir electricidad mediante turbinas de vapor de agua.
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Argumentos a favor:
Alta concentración de
producción
No produce gases de efecto
invernadero
Energía barata
No hay que modificar las redes
de distribución
Argumentos en contra:
Seguridad
Riesgo de accidentes y terrorismo
Proliferación nuclear
Medio ambiente y salud
Residuos radiactivos
Emisiones de radioactividad
Concentración económica
Recurso no renovable
Existencia de alternativas
Ventajas e inconvenientes de la energía nuclear
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Energías Renovables Contaminantes y No contaminantes
Las energías renovables contaminantesse obtienen a partir de la materiaorgánica o biomasa, y se pueden utilizarcomo combustible, convertida enbioetanol o biogás mediante procesos defermentación orgánica o en biodiéselmediante reacciones de trans-esterificación.Las energías de fuentes renovablescontaminantes tienen el mismo problemaque la energía producida porcombustibles fósiles: en la combustiónemiten dióxido de carbono, gas deefecto invernadero. Sin embargo, seencuadran dentro de las energíasrenovables porque el dióxido de carbonoemitido será utilizado por la siguientegeneración de materia orgánica.También se puede obtener energía apartir de los residuos sólidos urbanos.
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Energía solarLa captación de la radiación solar sirve tanto para transformar la energía solar en calor (térmica), como para generar electricidad (fotovoltaica y termosolar). Energía geotérmicaParte del calor interno de la Tierra (5.000ºC) llega a la corteza terrestre. En algunas zonas del planeta, cerca de la superficie, las aguas subterráneas pueden alcanzar temperaturas de ebullición, y, por tanto, servir para accionar turbinas eléctricas o para calentar.
Energías Renovables No contaminantes
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Energía hidráulicaLa energía potencial acumulada en los saltos de agua puede ser transformada en energía eléctrica. Las centrales hidroeléctricas aprovechan energía de los ríos para poner en funcionamiento unas turbinas que arrastran un generador eléctrico.
Energía gravitacionalLa atracción del Sol y la Luna que origina las mareas puede ser aprovechada para generar electricidad.
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Ventajas e inconvenientes de las energías renovables no contaminantes
Ventajas generales:
No producen gases de efecto invernadero ni otras emisiones, como los
combustibles, sean fósiles o renovables.
Sólo emiten dióxido de carbono en su construcción y funcionamiento
No presentan riesgos adicionales, como el riesgo nuclear.
No obstante, algunos sistemas de energía renovable generan problemas
ecológicos particulares.
Naturaleza difusa
• Un problema inherente a las
energías renovables es su
naturaleza difusa, con la excepción
de la energía geotérmica
• Puesto que ciertas fuentes de
energía renovable proporcionan una
energía de una intensidad
relativamente baja son necesarias
nuevos tipos de "centrales" para
convertirlas en fuentes utilizables.
Irregularidad
La producción de energía eléctrica
exige fuentes de alimentación fiables
o medios de almacenamiento
(sistemas hidráulicos de
almacenamiento por bomba, baterías,
futuras pilas de combustible de
hidrógeno, etc.). Debido al elevado
coste del almacenamiento de la
energía, un pequeño sistema
autónomo, hasta ahora, resulta
escasamente económico, excepto en
situaciones aisladas.
Fuentes renovables contaminantes
La biomasa almacena activamente el CO2,
formando su masa y liberando oxígeno. Al
quemarse vuelve a quemar el carbono con el
oxígeno formando de nuevo CO2. Al cerrar el
ciclo el saldo de emisiones es nulo.
¿La biomasa es realmente inagotable? Su
uso solamente puede utilizarse en casos
limitados. ¿Su eficacia energética es
aceptable?¿Es realmente
inagotable?¿Genera problemas sociales?
Ventajas e inconvenientes de las energías renovables
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Diversidad geográfica
En la actualidad los centros de
producción de energía
eléctrica están próximos a los
consumidores potenciales
(industrias, ciudades,…).
La diversidad geográfica
requiere inversiones
considerables en redes de
transformación y distribución;
así como cambios importantes
en la administración de las
redes.
Ventajas e inconvenientes de las energías renovables
Diversidad actual de producción eléctrica
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Biocombustibles
Biocombustible es el término con el cual se denomina a cualquier tipo de combustible que derive de la biomasa (organismos recientemente vivos o sus desechos metabólicos).Los biocombustibles más usados y desarrollados son el bioetanol obtenido a partir de la caña de azucar y el biodiesel obtenido a partir de aceites vegetales.
El bioetanol se obtiene por fermentación de loscompuestos orgánicos naturales que, después desu destilación y secado, da como producto finalel alcohol.Actualmente se está proponiendo la separacióndel almidón que, convertido en azúcarfermentable, puede producir etanol puro.
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Consecuencias para el medio ambienteCon su generalización en occidente, muchos países subdesarrollados están
destruyendo sus selvas para crear plantaciones para biocombustibles. La
consecuencia es justo la contraria de lo que se pretende y su cultivo reemplaza
elementos naturales que limpian el aire de gases de efecto invernadero.
Los fertilizantes necesarios para los cultivos, el transporte de la biomasa, el
proceso del combustible y la distribución del biocombustible hasta el consumidor
hacen disminuir su eficacia energética.
Sin embargo, aplicando las técnicas agrícolas y las estrategias de procesamiento
apropiadas, los biocombustibles pueden ofrecer ahorros en las emisiones de al
menos el 50% comparando con combustibles fósiles como el gasóleo o la gasolina.
Consecuencias para el sector alimentario
La utilización de suelo agrícola para el cultivobiocombustibles ha comenzado a producir un efectode competencia entre la producción de alimentos yla de biocombustibles, aumentando el precio deproductos de primera necesidad.
Biocombustibles
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Energía solar fotovoltaica
Se denomina energía solar fotovoltaica a la obtención de energía eléctrica através de paneles fotovoltaicos. Los paneles fotovoltaicos están formados pordispositivos semiconductores que al recibir radiación solar se excitan y provocansaltos electrónicos, generando una pequeña diferencia de potencial. Elacoplamiento en serie de varios de estos dispositivos permite la obtención devoltajes mayores en configuraciones muy sencillas.
En un día soleado, el Sol irradia alrededor de 1 kW/m2 a la superficie de la Tierra. Los
paneles fotovoltaicos actuales tienen una eficiencia promedio del 12%. Esto
supondría una producción de, aproximadamente, 120 W/m². Sin embargo, se están
produciéndose grandes avances en la tecnología fotovoltaica y ya existen paneles
experimentales con rendimientos superiores al 40%.
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Energía solar fotovoltaica
El proceso básico, repetido millones de veces, que permite a una celda solar
generar energía eléctrica es el siguiente:
Los fotones de luz solar inciden en la superficie de vidrio de la celda que
permite pasar la luz a la capa de semiconductor n.
Los átomos en la capa de semiconductores tipo n se excitan, "soltando"
electrones que genera un exceso de ellos en la misma.
La capa de semiconductor tipo p tiene deficiencia de electrones, lo cual atrae a
los electrones excitados provenientes de la capa tipo n. En términos eléctricos,
se genera una diferencia de potencial entre ambas capas de semiconductor.
La única manera de pasar los electrones del semiconductor tipo n al p es a
través de un cable produciendo la corriente eléctrica.
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Energía eólica
La energía eólica es la que se obtiene por medio del viento, es decir mediante la utilización de la energía cinética generada por efecto de las corrientes de aire.
La energía del viento está relacionada con el movimiento de las masas de aire que desplazan desde
áreas de alta presión atmosférica hacia áreas de baja presión, con velocidades proporcionales a la
diferencia de presión.
Los vientos son generados a causa del calentamiento no uniforme de la superficie terrestre por parte
de la radiación solar, entre el 1 y 2% de la energía proveniente del sol se convierte en viento.
Ventajas de la energía eólica:
Es un tipo de energía renovable y limpia procedente del sol.
No contribuye al incremento del efecto invernadero ni al cambio
climático.
Puede instalarse en espacios no aptos para otros fines como zonas
desérticas, próximas a la costa, en laderas áridas y no cultivables.
Puede convivir con otros usos del suelo.
Su instalación es rápida, entre 6 meses y un año.
Su inclusión en un sistema ínterconectado permite ahorrar
combustible en las centrales térmicas y/o agua en los embalses de las
centrales hidroeléctricas.
Su utilización combinada con otros tipos de energía, habitualmente la
solar, permite la autoalimentación de viviendas.
La situación actual permite cubrir la demanda de energía en España
un 30%.
Es posible construir parques eólicos en el mar, donde el viento es
más fuerte, más constante y el impacto social es menor.
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Energía eólica
Capacidad total de energía eólica instalada
Capacidad (MW)
Posición País 2006 4 2005 2004
1 Alemania 20.622 18.428 16.629
2 España 11.615 10.028 8.504
3 USA 11.603 9.149 6.725
4 India 6.270 4.430 3.000
5 Dinamarca 3.136 3.128 3.124
6 China 2.405 1.260 764
7 Italia 2.123 1.717 1.265
8 Reino Unido 1.963 1.353 888
9 Portugal 1.716 1.022 522
10 Francia 1.567 757 386
Total mundial 73.904MW 58.982 47.671
Inconvenientes de la energía eólica:
No puede utilizarse como única fuente de energía
Reconstruir la red de distribución
Dificultad intrínseca de prever la producción
Impacto paisajístico y en ecosistemas naturales
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El hidrógeno como combustible
El hidrógeno no es una fuente de energía: no existe aislado en lanaturaleza, por lo que no se puede extraer. Esto significa que si queremosusar hidrógeno para cualquier fin, primero hemos de generarlo, proceso enel que siempre se consume energía.
Balance energético de distintos procesos de combustión
Contenido energético (kJ)
Entalpía
de
reacción
Por mol
de O2
Por mol de
combustible
Por gr de
combustible
Moles de
CO2 por 1
kJ
Hidrógeno:2 H2 + O2 → 2 H2O 482 482 241 120 0
Gas: CH4 + 2O2 → CO2 + 2 H2O 810 405 810 51,6 1,2
Petróleo:2(-CH2-)+3O2→2CO2+ 2H2O 1220 407 610 43,6 1,6
Carbón:4(-CH-)+5O2 → 4CO2 + 2H2O 2046 409 512 39,3 2,0
Etanol:C2H5OH + 3 O2→ 2CO2+3H2O 1257 419 1257 27,3 1,6
Celulosa:(-CHOH-)+O2→CO2+H2O 447 447 447 14,9 2,2
La economía del hidrógeno es una economía futurible en la cual laenergía, para los usos móviles y producción de electricidad. El hidrógenose ha propuesto para sustituir para a la gasolina y combustibles dieselutilizados en automóviles.
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Economía del hidrógeno
Actualmente las dos principales aplicaciones para el hidrógeno son la producción de
amoníaco (NH3) en fertilizantes y para convertir cadenas largas de hidrocarburos
(mayoritarios en el petróleo sin refinar) en fracciones más ligeras, para su uso como
combustibles.
CH4(g) + H2O(g) CO(g) + 3 H2(g) H = 206 kJ·mol-1
(T = 1000oC)
Producción actual de hidrógeno
Reformado catalítico de hidrocarburos
CO(g) + H2O(g) CO2(g) + H2(g) H = – 41 kJ·mol-1
(T = 400 oC; cat: Fe2O3/Cr2O3)
cátodo: 2 H2O(l) + 2 e– 2OH
–(aq) + H2(g)
ánodo: 2 OH–(aq) H2O(l) + ½ O2(g) + 2 e
–
Electrolisis del agua (medio básico)
Actualmente, el 48% de la producción de hidrógeno es a partir del gas natural, el
30% del aceite, y el 18% del carbón; la electrólisis del agua representa solamente 4%
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Pilas de combustible
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Una celda de combustible es un dispositivo electroquímico similar auna batería, pero se diferencia en que está diseñada parapermitir el reabastecimiento continuo de los reactivos consumidos;es decir, produce electricidad de una fuente externa decombustible (hidrógeno, gas natural o etanol) y de oxígeno.
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Economía del hidrógeno
Barreras tecnológicas actuales:
Producción
Almacenamiento
Transporte
Uso final
Producción:
Combustibles fósiles.
Electrólisis.
Producción biológica.
Energía nuclear.
Otros métodos químicos.
Almacenamiento:
Almacenamiento en CO2 (ác. Fórmico)
Hidruros metálicos
Hidrocarburos sintéticos
Absorción en compuestos complejos
Uso final:
Vehículos.
Generación de electricidad.
Pilas de combustibles.
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Aunque todavía no se hagan vehículos de hidrógeno a gran escala, se están dando grandes saltos en la tecnología de la energía mediante el hidrógeno.
Economía del hidrógeno
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Los vehículos de hidrógeno funcionan con una pila de combustible. La pila de combustible genera electricidad para los motores mediante la reacción del hidrógeno de un depósito y el oxígeno del aire.
Las Celdas de Combustible podrían reemplazar a los motores de
combustión interna en automóviles, autobuses, camiones y locomotoras.
Las Celdas de Combustible podrían dar potencia a automóviles más
limpios, silenciosos y más eficientes que los autos a gasolina y con un
mayor rango y menores tiempos de recarga de combustible que los autos
eléctricos movidos por baterías.
Cientos de compañías en todo el mundo están trabajando en celdas de
combustible. El país que desarrolle tecnología para Celdas de Combustible
tendrá la llave para la siguiente generación de producción de energía.
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Economía del hidrógeno
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Captura de CO2
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