Relación de autores

J. ANTONIO MARTÍNEZ GEAIngeniero Técnico Agrícola, especialidad en Hidráulica y Construcciones.Profesor de Enseñanza Secundaria.

FRANCISCO MANJÓN-CABEZA MUÑOZIngeniero Técnico Industrial en Electricidad, especialidad en Electrónica.Profesor de Enseñanza Secundaria.

JOSÉ A. MARTÍNEZ ASÍSIngeniero Técnico Industrial en Electricidad, especialidad en Electrónica.Profesor de Enseñanza Secundaria.

MANUEL ÁNGEL VILLAR MARTÍNEZIngeniero Técnico Industrial, especialidad en Electrónica.Catedrático en Enseñanza Secundaria.

Presentación

El libro que tiene en las manos, amable lector, corresponde al primer volumen del temario de Oposiciones para el Cuerpo de Profesores de Educación Secundaria de la especialidad de Tecnología, que Editorial MAD pone, por primera vez, a disposición de todos aquellos que aspiren a conseguir una excelente preparación que garantice, en la medida de lo posible, su éxito en las oposiciones.

A la hora de escribir un temario de oposiciones de gran calidad el criterio básico ha de ser redactar cada tema con la finalidad de que el opositor no tenga necesidad de acudir a ninguna otra obra de consulta, es decir, que encuentre en el propio temario absolutamente todo el material que necesita. La premura con que siempre se estudia una oposición (pese a que se le dedique más de un año) hace necesaria que toda la materia esté presentada de forma clara al mismo tiempo que sistemática y rigurosamente expuesta, conjugando esto con un nivel de comprensión que no haga que el opositor deba realizar un doble esfuerzo: entender el tema, y entender al redactor del tema. Siempre hemos optado por lo primero. Por lo demás, hemos procurado no verter opiniones personales en el temario, haciéndolo lo más "objetivo" posible.

A menudo se afirma que es ideal que cada opositor se elabore su propio temario. O al menos esto es lo que muchos piensan. Estimamos que no es exactamente así, por varios motivos: un opositor no tiene tiempo (a no ser que dedique tres o cuatro años en exclusividad) para redactar o elaborar cada tema de forma que tengan suficiente calidad; además, un opositor "novato" no siempre sabe lo que se espera de él en una oposición; no siempre es sencillo captar exactamente el sentido de cada tema (muy a menudo se observa a opositores que tienen ante los tribunales un planteamiento manifiestamente errado del mismo), etc. Por eso, disponer de un temario sobradamente contrastado por sus resultados y que ha sido continuamente renovado y actualizado, otorga al futuro profesor de Tecnología la garantía de contar con un material que le ahorre múltiples esfuerzos y que le asegure una excelente preparación.

Nuestra experiencia durante bastantes años en el campo de la preparación de opositores nos ha permitido comprobar, por haber tenido alumnos de todas las Comunidades Autónomas del Estado, que, por lo general, aproximadamente una cuarta parte de los temas son "nuevos" (en su contenido) tanto para los recién licenciados como para muchos doctorados, al no haber estudiado los aspectos, fundamentales de esos ternas durante su formación como alumnos en las diferentes universidades. Por eso este temario incorpora no sólo todo el material (y de forma abundante) necesario para la comprensión del tema, sino también la definición clara de cualquier concepto tecnológico relevante que aparezca, así como las aclaraciones cuando sea pertinente y también muchos otros datos que posibiliten la comprensión de cada tema. Es preferible que los datos y las explicaciones sobreabunden a que sean demasiado escasos; el opositor siempre podrá "recortar" el tema o sintetizar lo que estime más relevante. Esto no es sólo conveniente, sino también muy recomendable. Por lo demás, el temario ha sido continuamente actualizado, tanto en su redacción como en su bibliografía.

Los temas han sido redactados con una extensión que permita que el opositor pueda construir con suma facilidad su "propio" tema, es decir, que personalice dicho tema sin necesidad de acudir a ninguna otra fuente bibliográfica (con la consiguiente pérdida de tiempo), con el convencimiento de que encontrará una abundancia de datos que permita que cada cual aborde los epígrafes concretos que estime más oportunos o sobre los que posea

mayor conocimiento. Ese pequeño esfuerzo personal que cada cual debe realizar es una garantía de haber "personalizado" el tema, cosa que es muy bien valorada por los tribunales de oposición, evitando el riesgo de "clonación", tan frecuente cuando se parte de un temario de extensión escasa o de dudosa calidad y que tan mala impresión causa en los tribunales. Esa personalización puede conseguirse, una vez leído todo el tema con detenimiento, subrayando lo fundamental (estudiando después sobre todo lo subrayado) o extrayendo en forma de resumen lo subrayado. Aquí el opositor podrá hacer hincapié en los epígrafes que estime más oportunos, no refiriéndose directamente a algunos otros; pero también éstos tienen su importancia, pues, en definitiva, y en buena medida, la plaza se decide en el diálogo con el tribunal, y aquí el opositor puede ser cuestionado por aspectos que no ha expuesto en concreto y que, normalmente, están incorporados en el tema que aquí ofrecemos y que no podríamos asumir si los temas fueran más breves.

Los índices sistemáticos anteceden a la exposición directa del tema. Estos índices son un apretado esquema de todo el tema. Normalmente, a partir de esos índices podrá el opositor realizar el breve guión (habitualmente más breve que dicho índice) que los tribunales suelen dejar como apoyatura en la fase de exposición oral.

La bibliografía que ofrecemos es abundante, y ha sido seleccionada atendiendo a los criterios siguientes:

1. Pertinencia: hemos utilizado y citado las obras más pertinentes para la elaboración de cada tema.

2. Claridad: se hace constar el nombre del autor, el título de la obra, la editorial donde se encuentra, la ciudad donde se publicó y el año de publicación.

3. Rigor: no sólo se citan obras de divulgación, sino también obras especializadas.

4. Actualidad y accesibilidad: por lo general, apenas he citado bibliografía que se encuentre descatalogada o que sea difícil de encontrar.

Los resultados obtenidos durante bastantes años por muchos de nuestros alumnos han sido extraordinarios, y han logrado en diferentes convocatorias y en tribunales de oposición tanto del "territorio MEC" como de las diferentes Comunidades Autónomas, varios números uno y muchísimos aprobados con plaza. Esto siempre nos ha estimulado a seguir actualizando y "puliendo" los temas, así como animando a los opositores a conseguir la preparación de la mayor calidad posible, con la confianza en que su esfuerzo finalmente tendrá el resultado anhelado.

Mariano Moreno Villa.

TRIVIUM. Centro de Oposiciones de Murcia.

Indice

Tema 1. Producción y transformación de las distintas formas de energía ...........

5

Tema 2. Transporte y distribución de la energía ..................................................

47

Tema 3. El consumo de energía en España y en el mundo. Criterios y técnicas

de ahorro energético. Energías alternativos ............................................................

83

Tema 4. Impacto ambiental de la actividad tecnológica y la explotación de

recursos. Técnicas de tratamiento y reciclaje de residuos ......................................

113

Tema 5. El desarrollo científico y técnico a lo largo de la historia: contexto

social y logros característicos .................................................................................

163

Tema 6. Condiciones y consecuencias económicas y sociales del desarrollo

tecnológico ..............................................................................................................

205

Tema 7. La influencia del desarrollo tecnológico en la organización técnica y

social del trabajo .....................................................................................................

247

Tema 8. El desarrollo del transporte, las comunicaciones, el tratamiento y la

transmisión de la información .................................................................................

289

Tema 9. Sistemas informáticos: estructura, elementos componentes y su

función en el conjunto. Programas: tipos y características .....................................

319

Tema 10. El proceso de diseño de bienes en la industria. Características de un

proyecto técnico escolar ..........................................................................................

353

Tema 11. El proceso de producción agropecuaria. Características de un

proyecto agrícola escolar ........................................................................................

391

Tema 12. Tratamientos de los alimentos. Técnicas de manipulación,

conservación y transporte .......................................................................................

427

Tema 13. La distribución y comercialización de los productos. El mercado y

sus leyes básicas ......................................................................................................469

Tema 14. Métodos de expresión, exploración y evaluación de ideas en el

desarrollo de proyectos técnicos .............................................................................513

Tema 15. Técnicas de planificación, organización y seguimiento de la

producción. La planificación en el ámbito escolar .................................................

547

Tema 16. Administración de recursos y gestión de medios en los sistemas

organizativos de la empresa ....................................................................................

593

Tema 17. Riesgos derivados del manejo de herramientas, máquinas y

materiales técnicos. Elementos y medidas de protección .......................................

637

Tema 18. Factores que intervienen en los accidentes y criterios de reducción de

riesgos en el taller ...................................................................................................

683

Tema 19. Normas de salud y seguridad en el taller. Criterios de actuación y

primeros auxilios en caso de accidente ...................................................................

721

ÍNDICE SISTEMÁTICO

INTRODUCCIÓN

1. ENERGÍA

1.1. Definición

1.2. Magnitudes asociadas

2. CLASIFICACIÓN DE LA ENERGÍA

2.1. Formas de energía

2.1.1. Interna

2.1.2. Mecánica o externa

2.2. Fuentes de energía

2.2.1. Renovables

2.2.2. No renovables

2.3. Nivel de transformación

2.3.1. Primaria

2.3.2. Secundaria o final

3. RECURSOS ENERGÉTICOS

3.1. Energías no renovables

3.1.1. Recursos fósiles

3.1.1.1. Carbón

3.1.1.2. Petróleo

3.1.1.3. Gases

3.1.2. Energía nuclear

3.1.2.1. Fisión

3.1.2.2. Fusión

3.2. Energías renovables

3.2.1. Hidráulica

3.2.2. Solar

3.2.3. Eólica

3.2.4. Geotérmica

3.2.5. Biomasa

3.2.6. Mareomotriz, de las olas y térmica marina

3.3. Ahorro energético

4. PRODUCCIÓN DE DIFERENTES FORMAS DE ENERGÍA

4.1. Energía eléctrica

4.1.1. Generadores químicos

4.1.1.1. Generadores químicos primarios

4.1.1.2. Generadores químicos secundarios

4.1.2. Centrales hidráulicas

4.1.3. Centrales térmicas

4.1.4. Centrales nucleares

4.1.5. Centrales solares

4.1.6. Centrales eólicas

4.2. Energía térmica

4.2.1. Calderas

4.3. Energía mecánica

4.3.1. Motores

4.3.1.1. Motores eléctricos

4.3.1.2. Motores de combustión

4.3.2. Turbinas

5. TRANSFORMACIÓN DE LAS DISTINTAS FORMAS DE ENERGÍA

5.1. Necesidades energéticas. Utilización de la energía

5.1.1. Térmica

5.1.2. Mecánica

5.1.3. Luminosa

5.1.4. Electromagnética

5.2. Transformación de energía eléctrica en

- Térmica

- Mecánica

- Luminosa

- Electromagnética

5.3. Transformación de energía térmica en

- Eléctrica

- Mecánica

- Luminosa

BIBLIOGRAFÍA

INTRODUCCIÓN

El crecimiento económico de una sociedad está íntimamente ligado al incremento de la producción industrial. Este incremento lleva asociado aumentos de la producción de energía.

La máquina de vapor alimentada con carbón supuso una clara modificación en los sistemas productivos (Primera Revolución Industrial), permitiendo nuevas aplicaciones tecnológicas y, por tanto, incrementos espectaculares en los rendimientos productivos.

La aparición, en Estados Unidos, a finales del siglo XIX de un nuevo combustible (el petróleo) trajo consigo una nueva revolución industrial (Segunda Revolución Industrial), ya que el aprovechamiento del petróleo, que en ese momento era un bien abundante y barato, supuso importantes avances tecnológicos que se orientaron esencialmente a la producción de bienes de consumo.

Durante el siglo XX se producen avances significativos en los procesos de producción de energía y grandes innovaciones tecnológicas en los métodos productivos de carácter industrial y en bienes de consumo. La energía eléctrica, fácilmente transportable a grandes distancias y de fácil aplicación, tanto en industrias como en viviendas, ha sido el motor principal de las innovaciones antes mencionadas.

El impacto medio ambiental que la producción de energía supone, hace cada día más necesario la utilización de energías "limpias". Las energías alternativas y el ahorro energético han de permitir abandonar progresivamente procesos de producción de energía con un alto riesgo medio ambiental.

1. ENERGÍA

1.1.Definición

La podemos definir como la capacidad de los cuerpos para producir trabajo. Trabajo que se puede manifestar de diversas formas: trabajo mecánico, emisión luminosa, calorífica, etc. La propiedad fundamental de la energía es: En toda transformación energética la energía total se mantiene constante. No puede haber creación o destrucción de energía, sino transferencia entre sistemas o transformación en otra forma de energía.

1.2. Magnitudes asociadas

La energía que posee un cuerpo se manifiesta en forma de trabajo. De forma análoga, un trabajo realizado sobre un cuerpo se almacena en él en forma de energía. Por tanto, la energía tiene la misma unidad que la magnitud trabajo.

– Trabajo. El trabajo realizado por una fuerza F que produce un desplazamiento e, en la misma dirección y sentido que ella, viene dado por la expresión: T = F · e

– Calor. Es la cantidad de energía transferida entre dos sistemas a causa de una diferencia de temperatura entre ambos.

– Potencia. El trabajo realizado en la unidad de tiempo.

– Fuerza. Es cualquier acción que modifica el estado de reposo o de movimiento de un objeto. La fuerza es un vector, lo que significa que tiene módulo, dirección y sentido. Esta fuerza total (F) que actúa sobre un objeto, la masa del objeto (m) y su aceleración (a) están relacionadas entre sí a través de la segunda ley de Newton: F = m · a.

– Aceleración. La aceleración lineal es la variación de la velocidad de un objeto por unidad de tiempo (a = v/t). La velocidad se define como vector, es decir, tiene módulo, dirección y sentido.

– Velocidad. Es la variación de la posición de un cuerpo por unidad de tiempo. La velocidad es un vector. La magnitud de la velocidad (v) se suele expresar como la distancia recorrida por unidad de tiempo; se expresa en kilómetros por hora o metros por segundo. Cuando la velocidad es constante se puede determinar sencillamente dividiendo la distancia recorrida entre el tiempo empleado.

MAGNITUD DEFINICIÓN DE LA UNIDAD UNIDAD

Trabajo o Energía WEs la energía necesaria para que una fuerza de 1 newton desplace un objeto 1 m.

Julio J

Energía nuclear

Es la energía que adquiere un electrón al pasar de un punto a otro entre los que hay una diferencia de potencial de 1 voltio.

Electrón-voltio = 1,602·10-19 J eV

Energía eléctricaEs el trabajo realizado durante 1 hora por una máquina que tiene una potencia de 1 Kilovatio.

Kilovatio-hora = 36·105 J KWh

Potencia PEs la potencia de una máquina que realiza el trabajo de 1 julio en un segundo.

Vatio W

Fuerza FEs la fuerza que proporciona a un objeto de 1 Kg de masa una aceleración de 1 m/s2.

Newton N

Aceleración AEs la aceleración que tiene un móvil que cambia su velocidad 1 m cada segundo.

m/s2

Velocidad v Es la rapidez de un móvil que m/s

recorre 1 m en 1 s.

* Los cuadros sombreados contienen unidades definidas en el Sistema Internacional (SI)

Tabla de magnitudes y unidades asociadas

2. CLASIFICACIÓN DE LA ENERGÍA

2.1.Formas de energía

Si nos atenemos a la definición dada de energía veremos que multitud de cosas o elementos presentes en la naturaleza son capaces de producir energía: el sol, el agua, el viento, el mar, etc. La energía producida por estos elementos se puede presentar de diversas formas que, de forma breve, describimos a continuación. Las diferentes formas de energía se pueden encuadrar en dos grandes bloques: energía interna y energía mecánica o externa.

2.1.1. Interna

Es la energía que poseen las moléculas de un cuerpo debido a su propio movimiento y se puede clasificar en:

– Cinética: es la que tienen los cuerpos por estar en movimiento.

– Potencial: es la que tienen los cuerpos en función de su posición relativa.

2.1.2. Mecánica o externa

– Eléctrica: es la energía que poseen las cargas eléctricas en movimiento.

– Electromagnética: es la energía que transportan las ondas electromagnéticas. Un ejemplo de energía electromagnética son la luz y el calor radiados por el sol.

– Nuclear: es la debida a la transformación de masa en energía.

– Química: es la que se absorbe o desprende cuando tiene lugar una reacción química.

– Calorífica: es la energía en tránsito entre dos focos a distinta temperatura. Se la denomina calor.

2.2.Fuentes de energía

Fuente de energía es todo yacimiento o fenómeno (natural o artificial) del que podemos extraer energía, concepto que no se ha de confundir con el de recurso energético (cantidad de energía disponible en la fuente); el sol, el viento, el carbón son

ejemplos de fuentes de energía. Las fuentes de energía se clasifican en función de dos criterios:

– Renovables y no renovables.

– Nivel de transformación.

2.2.1. Renovables

Son aquellas cuyos recursos no se agotan en el tiempo, ya que provienen de la energía que llega al planeta Tierra ininterrumpidamente como consecuencia de la radiación solar o de la atracción gravitatoria de otros planetas de nuestro sistema solar. Las más representativas son:

– Solar – Térmica marina – Biomasa

– Eólica – De las olas – Hidráulica

– Geotérmica – Mareo motriz

2.2.2. No renovables

Son aquellas que existen en una cantidad limitada en la naturaleza, por lo que se agotan cuando se utilizan. Las más características son:

– El uranio.

– Los recursos fósiles.

2.3.Nivel de transformación

La energía que consumimos pasa por diversas etapas de transformación, desde la energía inicial o primaria tomada de la fuente hasta su posterior elaboración, transformación y uso (energía final).

2.3.1. Primaria

Es la que se obtiene directamente de la naturaleza; ha de someterse a un proceso de transformación y posteriormente ha de ser transportada a los lugares de utilización (industria, vivienda, alumbrado público, etc.). Ejemplos claros de energía primaria son: el petróleo, el carbón, el gas natural y la energía hidráulica.

2.3.2. Secundaria o final

Está en condiciones de ser directamente utilizada por el usuario. Ejemplo: la electricidad, combustibles sólidos derivados del petróleo (gasolina, gasóleo, etc.), gases derivados del petróleo (butano y propano).

3. RECURSOS ENERGÉTICOS

3.1.Energías no renovables

3.1.1. Recursos fósiles

3.1.1.1. Carbón

Combustible sólido de origen vegetal. En el periodo carbonífero (que comenzó hace 345 millones de años y duró unos 65 millones de años), grandes extensiones del planeta estaban cubiertas por una vegetación abundantísima que crecía en zonas pantanosas. En las masas vegetales sumergidas se verificaron cambios químicos producidos por la acción de bacterias y hongos, produciéndose reacciones de hidrólisis que dieron lugar, básicamente, a dos tipos de productos:

– Solubles en agua o gaseosos, que se perdían en su mayor parte.

– Insolubles en agua, fundamentalmente cadenas de carbono.

El mecanismo de sedimentación, al que se vio sometida la materia vegetal en proceso de transformación, paralizó el proceso bacteriano, ya que a ciertas profundidades los microorganismos dejan de existir. Finalizada la acción bacteriana, las materias húmicas (turbas con alto contenido de agua) fueron sometidas a diversos factores como: la presión, la temperatura y el tiempo. La acción de la temperatura generaría el desprendimiento de hidrocarburos y la presión contribuiría a la desaparición del oxígeno y del hidrógeno concentrándose el carbono. Este proceso, en función del tiempo, daría lugar a los diferentes tipos de carbón.

Los diferentes tipos de carbón se clasifican según su contenido de carbono fijo:

– La turba: es el más reciente de los carbones, tiene un bajo contenido de carbono fijo y un alto índice de humedad. Su composición es de 50% de carbono, 45% de oxígeno y 5% de hidrógeno.

– El lignito: es un carbón blando que como la turba pertenece a épocas posteriores al periodo carbonífero, por lo que no ha sufrido el proceso de carbonización completo.

– La hulla: es un carbón duro totalmente carbonizado, su contenido calorífico es mayor que el del lignito. Son los tipos de carbón más utilizados en la industria metalúrgica y química.

– La antracita: es un carbón duro con el mayor contenido en carbono y el máximo poder calorífico. Su contenido en carbono es de más del 92% en carbono y de menos del 8% en materias volátiles. Sin embargo, no es tan útil como la hulla y, aparte de su uso como combustible, sólo se presta a la gasificación y a algunas aplicaciones metalúrgicas de baja calidad.

Además de carbono, el carbón contiene hidrocarburos volátiles, azufre y nitrógeno, así como diferentes minerales que quedan como cenizas al quemarlo.

Ciertos productos de la combustión del carbón pueden tener efectos perjudiciales sobre el medio ambiente. Al quemar carbón se produce dióxido de carbono entre otros compuestos. Debido al uso extendido del carbón y otros combustibles fósiles (como el petróleo), la cantidad de dióxido de carbono en la atmósfera terrestre podría aumentar hasta el punto de provocar cambios en el clima de la Tierra. Por otra parte, el azufre y el nitrógeno del carbón forman óxidos durante la combustión que pueden contribuir a la formación de lluvia ácida.

TIPO DE CARBÓN UTILIZACIÓN PODER CALORÍFICO

TURBA Combustible doméstico. > 2000 cal/g

LIGNITOSe emplea en las centrales térmicas para la obtención de energía eléctrica.

> 7750 cal/g

HULLA

Se le somete a un proceso de destilación seca por el que se obtiene: amoníaco, alquitrán, gas natural y coque. El coque se utiliza en la siderurgia.

> 7000 cal/g

ANTRACITACombustible doméstico.Combustible industrial principalmente en la producción de energía eléctrica.

< 8000 cal/g

3.1.1.2. Petróleo

Es un aceite mineral de olor fuerte y color oscuro que está constituido por una mezcla de hidrocarburos acompañados de azufre, oxígeno y nitrógeno. Se encuentra en grandes cantidades bajo la superficie terrestre y se emplea como combustible y materia prima para la industria química. Además, el petróleo y sus derivados se emplean para fabricar medicinas, fertilizantes, productos alimenticios, objetos de plástico, materiales de construcción, pinturas o textiles y para generar electricidad.

Las naciones de hoy en día dependen del petróleo y sus productos. Sin embargo, en los últimos años ha descendido la disponibilidad mundial de esta materia, y su coste ha aumentado. Es probable que, debido a su escasez, a mediados del siglo XXI el petróleo no pueda ser utilizado como recurso energético.

Todos los tipos de petróleo se componen de hidrocarburos, aunque también suelen contener unos pocos compuestos de azufre y de oxígeno; el contenido de azufre varía entre un 0,1% y un 5%. El petróleo contiene elementos gaseosos, líquidos y sólidos. La consistencia del petróleo varía desde un líquido tan poco viscoso como la gasolina hasta un líquido tan espeso que apenas fluye. Por lo general hay pequeñas cantidades de

compuestos gaseosos disueltos en el líquido; cuando las cantidades de estos compuestos son mayores, el yacimiento de petróleo está asociado con un depósito de gas natural.

Existen tres grandes categorías de petróleos crudos (denominados a veces simplemente "crudos"): los de tipo parafínico, los de tipo asfáltico y los de base mixta. Los petróleos parafínicos están compuestos por moléculas en las que el número de átomos de hidrógeno es siempre superior en dos unidades al doble del número de átomos de carbono. Las moléculas características de los petróleos asfálticos son los naftenos, que contienen exactamente el doble de átomos de hidrógeno que de carbono. Los petróleos de base mixta contienen hidrocarburos de ambos tipos.

Existen varias hipótesis sobre la formación del petróleo, la más factible parece ser la que considera que el petróleo se ha formado a partir de plancton y algas marinas que se fueron depositando en el fondo marino; algunos de estos mares desaparecieron hace millones de años. Las sedimentaciones posteriores alcanzaron espesores de centenares de metros sometiendo a los depósitos orgánicos mencionados a enormes presiones y temperaturas, acabando por formarse el petróleo.

Durante mucho tiempo se emplearon yacimientos superficiales de petróleo, para fines limitados como el calafateado de barcos, la impermeabilización de tejidos, etc. En 1852, el físico y geólogo canadiense Abraham Gessner obtuvo una patente para producir, a partir de petróleo crudo, un combustible para lámparas relativamente limpio y barato, el queroseno. En 1855, el químico estadounidense Benjamín Silliman publicó un informe que indicaba la amplia gama de productos útiles que podían obtenerse mediante la destilación del petróleo.

El éxito de Drake, con la perforación de un pozo petrolero en Pensilvania (Estados Unidos), marcó el comienzo del rápido crecimiento de la moderna industria petrolera. Con la invención del automóvil y las necesidades energéticas surgidas en la I Guerra Mundial, la industria del petróleo se convirtió en uno de los cimientos de la sociedad industrial.

Proceso de refinado del petróleo:

Una vez extraído el crudo, se trata con productos químicos y calor para eliminar el agua y los elementos sólidos y se separa el gas natural. A continuación se almacena el petróleo en tanques desde donde se transporta a una refinería, básicamente, en barco o a través de un oleoducto. Todos los campos petroleros importantes están conectados a grandes oleoductos.

La operación principal del proceso de refinado es la destilación fraccionada1, que permite obtener, a distintos niveles de temperatura una gama importante de productos:

Sustancias gaseosas Sustancias líquidas Sustancias sólidas

Metano Gasolinas ParafinasEtano Querosenos AlquitranesPropano FuelButano

1 Destilación que se basa en los distintos puntos de ebullición de los componentes.

A partir de los productos obtenidos de la destilación fraccionada, y mediante las operaciones de cracking (o craqueo), polimerización y alquilación, se pueden obtener nuevos productos demandados por los mercados.

Con la operación de cracking se logra romper moléculas pesadas (por ejemplo, fuel) originando múltiples moléculas ligeras, no necesariamente idénticas entre ellas (gasolinas y gases).

La polimerización consiste en la unión de varias moléculas de un monómero para formar una molécula de un polímero. Por ejemplo: a partir de etileno se obtiene polietileno.

La alquilación consiste en la asociación de moléculas de un cuerpo con moléculas de otro distinto en condiciones análogas a la polimerización.

Las aplicaciones del petróleo y sus derivados son importantísimas, tanto en el campo de los suministros energéticos como en la industria química.

A continuación aparece representado, de forma abreviada, el proceso de refino del petróleo.

3.1.1.3. Gases

Consideramos combustible gaseoso cualquier mezcla gaseosa empleada como combustible para proporcionar energía en usos domésticos o industriales.

Los combustibles gaseosos están formados principalmente por hidrocarburos, es decir, compuestos moleculares de carbono e hidrógeno. Las propiedades de los diferentes gases dependen del número y disposición de los átomos de carbono e hidrógeno de sus moléculas. Todos estos gases son inodoros en estado puro, igual que ocurre con el monóxido de carbono (tóxico) que a veces contienen. Además de sus componentes combustibles, la mayoría de los combustibles gaseosos contienen cantidades variables de nitrógeno y agua.

Los combustibles gaseosos empleados en la actualidad son el gas de hulla, obtenido por destilación del carbón, el gas natural, extraído de yacimientos subterráneos de gas, y los gases embotellados, compuestos por los hidrocarburos más ligeros.

– Gas natural:

Se entiende como gas natural las mezclas de gases combustibles hidrocarburados o no, que se encuentran en el subsuelo y que en ocasiones se hallan asociados con el petróleo. El principal constituyente del gas natural es el metano, que representa generalmente entre el 75 y el 95% del volumen total, otros hidrocarburos gaseosos con el nitrógeno y el dióxido de carbono son los otros componentes. El gas natural puede ser húmedo (si contiene hidrocarburos líquidos en suspensión) o seco (si no los contiene).

El uso industrial del gas natural es posterior al uso del petróleo. El gas natural, que aparecía en casi todos los yacimientos petrolíferos, se quemaba a la salida del pozo como un residuo más. La necesidad de nuevas fuentes energéticas dio lugar al desarrollo de técnicas (licuefacción de los gases y tuberías soldadas resistentes a altas presiones) que resolvían los problemas de almacenamiento y transporte que el gas natural presentaba.

– Gas de hulla:

Los procesos de gasificación de hulla más importantes están destinados sobre todo a la producción del gas denominado "gas ciudad", cuyas propiedades son más o menos equivalentes a las del gas natural. El gas procedente de la hulla, además de cumplir las especificaciones de bombeo y calentado, debe satisfacer límites estrictos en cuanto al contenido de monóxido de carbono, azufre, gases inertes y agua. Para cumplir estas normas, la mayoría de los procesos de gasificación de hulla culminan con operaciones de limpieza y metanación del gas. En la actualidad se utilizan diversos métodos de hidrogasificación en los que el hidrógeno reacciona directamente con carbón para formar metano; estos procesos evitan el paso intermedio consistente en producir gas de síntesis, hidrógeno y monóxido de carbono antes de producir metano.

Otros gases fabricados en el pasado a partir de carbón y coque, como el gas del alumbrado o el gas de horno de coque, apenas tienen importancia hoy día.

Varios hidrocarburos como el propano, el butano y el pentano, o mezclas de esos gases, se licuan para emplearlos como combustible. Gracias a los llamados gases embotellados, que suelen almacenarse en bombonas o tanques metálicos, pueden utilizarse para usos domésticos en localidades carentes de

suministro centralizado de gas. Estos gases embotellados se producen a partir del gas natural y del petróleo.

3.1.2. Energía nuclear

Es la energía liberada durante la fisión o fusión de núcleos atómicos. Las cantidades de energía que pueden obtenerse mediante procesos nucleares superan con mucho a las que pueden lograrse mediante procesos químicos, que sólo implican las regiones externas del átomo.

El átomo está formado por un pequeño núcleo, cargado positivamente, rodeado de electrones. El núcleo, que contiene la mayor parte de la masa del átomo, está compuesto a su vez de neutrones y protones, unidos por fuerzas nucleares muy intensas, mucho mayores que las fuerzas eléctricas que ligan los electrones al núcleo. El número másico A de un núcleo expresa el número de nucleones (neutrones y protones) que contiene; el número atómico Z es el número de protones, partículas con carga positiva. Los núcleos se designan como X; por ejemplo, la expresión U representa el uranio 2352.

2

? Isótopo radiactivo del Uranio.

La energía de enlace de un núcleo mide la intensidad con que las fuerzas nucleares mantienen ligados a los protones y neutrones. La energía de enlace por nucleón, es decir, la energía necesaria para separar del núcleo un neutrón o un protón, depende del número másico. Si dos núcleos ligeros se fusionan para formar un núcleo de mayor peso o si un núcleo pesado se divide en dos de menor peso, los núcleos resultantes están ligados con más fuerza, por lo que se libera energía.

3.1.2.1. Fisión

También se libera energía nuclear cuando se induce la fisión de un núcleo pesado como el U mediante la absorción de un neutrón, como en la reacción:

n + U Cs + Rb + 3 n + 200 MeV

que produce cesio 140, rubidio 93, tres neutrones y 200 MeV, o 3,2 10-11 J. Una reacción de fisión nuclear libera una energía 10 millones de veces mayor que una reacción química típica.

El uranio presente en la naturaleza sólo contiene un 0,71% de uranio 235; el resto corresponde al isótopo no fisionable uranio 238. Una masa de uranio natural, por muy grande que sea, no puede mantener una reacción en cadena, porque sólo el uranio 235 es fácil de fisionar. Es muy improbable que un neutrón producido por fisión, con una energía inicial elevada de aproximadamente 1 MeV, inicie otra fisión, pero esta probabilidad puede aumentarse cientos de veces si se frena el neutrón a través de una serie de colisiones elásticas con núcleos ligeros como hidrógeno, deuterio o carbono. En ello se basa el diseño de los reactores de fisión empleados para producir energía.

3.1.2.2. Fusión

Se denomina fusión nuclear a la reacción en la que dos núcleos ligeros se unen para formar un núcleo más pesado y estable, con gran desprendimiento de energía. Dado que los núcleos están cargados positivamente necesitan la aplicación de energía cinética para vencer las fuerzas electrostáticas de repulsión; esta energía se puede aplicar como energía térmica o mediante un acelerador de partículas.

Estas reacciones de fusión térmica, llamadas reacciones termonucleares, se producen en los reactores de fusión y fundamentalmente con los isótopos del hidrógeno (protio: H, deuterio: H, y tritio: H).

Las posibles reacciones nucleares de fusión son:

H + H H + H + 4 MeV

H + H He + n + 3,2 MeV

H + H He + n + 17,6 MeV

El aprovechamiento por el hombre de la energía de fusión pasa por la investigación y el desarrollo de sistemas tecnológicos que cumplan dos requisitos fundamentales: calentar y confinar. Calentar para conseguir un plasma3 en donde los electrones salgan de sus órbitas y donde los núcleos puedan ser controlados por un campo magnético y confinar, para mantener la materia en estado de plasma o gas ionizado, encerrada en la cavidad del reactor el tiempo suficiente para que pueda reaccionar.

Este tipo de reacciones son muy atractivas como fuente de energía ya que el deuterio no es radiactivo y se encuentra de forma natural y prácticamente ilimitada en la naturaleza. El tritio no se presenta de forma natural y además es radiactivo. Sin embargo las investigaciones están básicamente centradas en las reacciones de fusión deuterio-tritio, debido a que libera una mayor energía y la temperatura a la que tiene lugar la fusión es considerablemente menor que las otras. En 1957 el físico británico J.D. Lawson formuló los criterios para que un hipotético reactor de fusión produzca el suficiente calor como para que la reacción no se apague:

1. La temperatura debe alcanzar los 100 millones de grados centígrados.

2. El combustible deuterio-tritio ha de tener una densidad mínima de 100 billones de partículas por centímetro cúbico.

3. La energía aplicada sobre el combustible para lograr que se cumplan los dos criterios anteriores tiene que mantenerse al menos durante un segundo.

Dado que el plasma es un muy buen conductor eléctrico, sometido a la acción de un campo magnético ha de seguir las líneas de fuerza de éste. Las experiencias más sobresalientes en este campo, se han desarrollado considerando que era necesario crear un gran campo magnético. Siguiendo esa línea de trabajo las investigaciones más conocidas son:

– Un grupo de físicos norteamericanos montaron el Stellarator, que consistía en una serie de bobinas electromagnéticas circulares, dispuestas uniformemente sobre una estructura en forma de rueda de coche. En su interior el plasma permanecía suspendido formando un anillo, mientras era calentado por inducción magnética o por inyección de hidrógeno. Pronto se observó que su funcionamiento era muy inestable.

– Físicos soviéticos desarrollaron una jaula de confinamiento, denominada Tokamak T-3, de concepción radicalmente diferente al Stellarator. Mientras en este último el campo de confinamiento lo producen los imanes que rodean al plasma, en el Tokamak el plasma se utiliza como bobina secundaria de un transformador, de modo que el mismo genera un campo magnético a su alrededor. Las líneas magnéticas de este campo se cruzan con las del campo primario logrando una jaula magnética muy estable.

3.2.Energías renovables

3 Gas ionizado calentado a temperaturas superiores a 10.000ºC. Por sus características se le considera el cuarto estado de la materia

3.2.1. Hidráulica

Energía hidráulica es la que se obtiene a partir del agua acumulada (embalsada) de los ríos o lagos. Tiene como origen el Sol ya que éste es la causa del ciclo del agua4.

El aprovechamiento de esta energía se realiza en los saltos de agua de las presas. El agua retenida, de forma artificial, en pantanos formados al cerrar mediante una presa la boca de un valle.

La mayoría de las presas hidráulicas se destinan a la producción de energía eléctrica, aunque el agua almacenada suele ser posteriormente aprovechada para riego agrícola o abastecimiento urbano.

Aunque es un recurso inagotable que la naturaleza se encarga de renovar, presenta algunos inconvenientes:

– Es estacional : el nivel de precipitaciones depende de la estación del año en que nos encontremos y de los ciclos de sequía.

– Impacto medioambiental : ya que la construcción de presas supone la destrucción de zonas fértiles.

– Transporte : los emplazamientos suelen estar lejanos a las zonas de consumo.

3.2.2. Solar

Energía solar es la energía que llega a la Tierra en forma de radiación electromagnética procedente del Sol, en donde es generada por un proceso de fusión nuclear.

En el Sol se producen constantemente reacciones de fusión en las que, en un segundo, 564 millones de toneladas de hidrógeno se fusionan dando lugar a 560 millones de toneladas de helio y se libera gran cantidad de energía, esta reacción se produce a una temperatura de 20 millones de grados. De ésta sólo una pequeña parte llega a la Tierra, pues el resto es reflejado hacia el espacio exterior por la presencia de la atmósfera terrestre.

La energía solar llega a la superficie de la Tierra por dos vías diferentes:

– Radiación directa : objetos iluminados por el Sol.

– Radiación difusa : radiación solar absorbida por el aire y el polvo atmosférico.

La primera es aprovechable de forma directa. Los colectores planos y las células fotovoltaicas aprovechan la segunda, en alguna medida.4 El calor evapora el agua de los mares y ríos que sube a la atmósfera formando las nubes, el agua

retorna a la tierra en forma de precipitaciones de agua y nieve.

Las ventajas de la energía solar son:

– Es inagotable y no contaminante.

– Mediante procesos convenientes de concentración pueden alcanzarse con ella temperaturas hasta 3000 °C, que en principio permiten poner en marcha ciclos termodinámicos de alto rendimiento.

Los inconvenientes de esta fuente de energía son:

– No puede ser almacenada, por lo que tiene que ser transformada inmediatamente en otra forma de energía.

– Su aprovechamiento exige disponer de sistemas de captación de grandes superficies y algunos de sus componentes tienen un coste elevado.

– Es discontinua y aleatoria.

La energía solar que llega a la Tierra es gratuita, pero su transformación en energía útil es muy costosa y, en muchos casos, está en fase de experimentación.

El aprovechamiento de la energía solar puede hacerse por dos vías: térmica y fotovoltaica.

– Vía térmica: transforma la energía proveniente del Sol en energía calorífica. Esta transformación puede darse a baja, media y alta temperaturas.

Transformación a baja temperatura: se emplea generalmente para calefacción doméstica, climatización de locales, obtención de agua caliente. Es necesario captar la energía solar, para lo que se dispone de una serie de colectores que absorben la radiación solar y la transmiten en forma de calor para alimentar el sistema de calefacción.

Estos sistemas aprovechan la energía solar a temperaturas que oscilan entre 35°C y 90°C y su rendimiento es superior al 50%.

Instalaciones a media temperatura: en estas instalaciones las temperaturas que se obtienen oscilan entre 90°C y 200°C, para lo que es necesario captar la energía solar y concentrarla mediante dispositivos especiales. El rendimiento en estos casos es del 60%.

Estas instalaciones constan de un conjunto de colectores de concentración de distintas formas:

a) Cilíndrico - parabólica : recogen la energía solar y la trasmiten a un fluido que transforma la energía solar en calorífica.

b) Heliostatos: formados generalmente por espejos orientables que concentran la radiación incidente en un punto fijo. El principal inconveniente es que utilizan sólo la radiación directa del Sol, pero no la difusa.

Instalaciones a alta temperatura: están formadas por una amplia superficie de heliostatos sostenidos por soportes que reflejan la radiación solar y la concentran en un punto receptor, alcanzando temperaturas superiores a los 200°C. El receptor transmite la radiación solar, en forma de calor, a un fluido. Éste es enviado a un generador de vapor que convierte en vapor el agua que circula por un circuito secundario, la cual pone en movimiento un grupo generador de energía eléctrica. El rendimiento de estas instalaciones

es aproximadamente del 20%.

– Vía fotovoltaica: los sistemas solares fotovoltaicos están formados por un conjunto de células solares o fotovoltaicas, dispuestas en paneles, que transforman directamente la energía solar en energía eléctrica.

Las células fotovoltaicas son elementos fabricados con materiales semiconductores5 (silicio, germanio, arseniuro de galio, óxidos semiconductores, etc.). Los fotones solares provocan la creación de pares electrón-hueco que permiten la aparición de una corriente eléctrica en la carga conectada externamente a la célula.

El desarrollo de estos sistemas se debió, en un primer momento, a la necesidad de cubrir las necesidades energéticas de los satélites artificiales mediante sistemas autónomos y de peso reducido. Las investigaciones actuales pretenden encontrar materiales que permitan la fabricación de células solares a bajo coste, para la producción de energía eléctrica y sistemas de almacenamiento de esta energía.

5 Material en el que los enlaces de los electrones en sus átomos son relativamente débiles (entre 0,8 y 2 eV), de modo que puedan romperse al chocar con ellos los fotones de la luz solar (1,4 eV).

3.2.3. Eólica

La energía eólica es la energía producida por la acción del viento. Su aprovechamiento se remonta en la historia ya que fue la primera energía aprovechada por el hombre, inicialmente como elemento motriz de las embarcaciones a vela y posteriormente en los molinos de viento con aplicaciones diversas.

Esta fuente energética presenta ventajas e inconvenientes, como sucede con la mayoría de las energías renovables. Es una fuente inagotable, no contaminante y una vez realizada la fuerte inversión, necesaria para su aprovechamiento, su captación es gratuita. Sus inconvenientes fundamentales son: que la intensidad del viento depende de múltiples factores y el coste de las instalaciones.

3.2.4. Geotérmica

Es la energía que encierra la Tierra en forma de calor y que ha sido producida fundamentalmente en la desintegración de las sustancias radiactivas de su núcleo. Este calor tiende a difundirse en el interior hasta escapar por la superficie de la corteza terrestre. Esta cantidad de calor sería suficiente para cubrir las necesidades mundiales de energía si pudiera aprovecharse. Para que esto sea posible, ha de mejorarse el aprovechamiento de este calor profundizando en la litosfera6. La energía geotérmica ha sido utilizada por el hombre desde los tiempos más remotos.

La temperatura se distribuye de forma irregular según las zonas de la corteza terrestre. Las bolsadas de magma que proceden de las zonas más profundas se desplazan hacia zonas de menor presión. Al contacto con el magma las rocas se funden y desprenden grandes cantidades de gases que tienden a salir por las grietas y las fisuras de la corteza, dando lugar a fenómenos de vulcanismo como son las erupciones volcánicas, salidas de gases a altas temperaturas (fumarolas y solfataras), salida de agua 6 La Tierra se divide en cinco partes: la atmósfera es gaseosa; la hidrosfera es líquida; la litosfera,

el manto y el núcleo son sólidos. La litosfera es la capa externa de la tierra, de unos 70 a 150 Km de espesor, que engloba la corteza terrestre y la parte superficial del manto.

hirviendo y vapor (géiseres) y salida de agua caliente (fuentes termales), aunque sólo algunas de éstas son aprovechables.

El aprovechamiento de la energía geotérmica se hace a distintas temperaturas.

– Baja energía: se aprovecha directamente el agua caliente (a menos de 100°C) en muy variadas aplicaciones -calefacción, agua caliente doméstica, piscinas, invernaderos, secaderos, etc.-.

– Media energía (90-150°C): existe la posibilidad de producir energía eléctrica, recurriendo a un fluido intermedio para su extracción (amoníaco, freón). El rendimiento es muy bajo.

– Alta energía: el vapor a presión o el agua a más de 150°C tienen un valor suficiente de fuerza motriz como para alimentar una central eléctrica. El rendimiento sigue siendo bajo.

– Rocas calientes y secas: se encuentran a profundidades de hasta 6000 metros y a temperaturas de 300°C. Con ellas se puede obtener energía eléctrica, pero su explotación presenta grandes dificultades.

En general la energía geotérmica, aunque ofrece grandes posibilidades de aprovechamiento, tiene enormes limitaciones: es de aplicación local, no puede transmitirse a largas distancias y, además, en muchos casos el vapor tiene una gran cantidad de humedad, por lo que existe grave riesgo de corrosión en las instalaciones.

3.2.5. Biomasa

Es la energía que se puede obtener de los compuestos orgánicos formados por procesos naturales. La energía de la biomasa se puede conseguir, fundamentalmente:

– Estableciendo determinados cultivos que puedan transformarse posteriormente en combustible.

– Aprovechando residuos forestales, agrícolas y domésticos, transformándolos después en combustible (biomasa residual).

– Transformando química o biológicamente ciertas especies vegetales para convertirlas también en combustible (metanol y etanol).

Algunos países como Brasil, para reducir su dependencia del petróleo, han puesto en funcionamiento motores que utilizan el alcohol como combustible.

La biomasa residual ofrece grandes perspectivas en cuanto a su aprovechamiento energético, ya que se produce de forma continua como consecuencia de la actividad humana. La eliminación de residuos naturales constituye normalmente un problema cuya solución requiere grandes desembolsos. El aprovechamiento energético de los residuos, además de proporcionar energía, ahorrará los costes de su eliminación, aunque no hay que olvidar que su recogida, generalmente en terrenos difíciles, implica también considerables inconvenientes.

3.2.6. Mareomotriz, de las olas y térmica marina

La energía mareomotriz es la energía desarrollada por las aguas del mar cuando están en movimiento. Las mareas son el resultado de la atracción gravitatoria ejercida por el Sol y la Luna sobre nuestro planeta. En algunos lugares el desnivel de las mareas alcanza con frecuencia varios metros de diferencia entre la bajamar y la pleamar.

Su utilización industrial sólo es posible en aquellas zonas costeras que reúnan determinadas condiciones topográficas (rías, estuarios, etc.) y marítimas en las cuales el valor de amplitud del desnivel de las mareas sea comparable a una instalación hidroeléctrica de escaso desnivel, pero de gran volumen de agua. El ejemplo más significativo de esta forma de obtener energía lo constituye la central mareomotriz de La Rance (Francia).

La forma de aprovechamiento de esta energía consiste en la elevación de un dique para aprovechar la diferencia de nivel entre mareas. La forma más sencilla de producción de energía eléctrica en una central mareomotriz es el sistema de efecto simple, en la pleamar se cierran las compuertas del dique y al bajar la marea se produce un desnivel de agua entrando en funcionamiento la turbina hasta que los niveles se igualan. Al objeto de obtener mayor rendimiento se utiliza el sistema de doble efecto, con lo que la producción de energía es doble.

El principal inconveniente lo constituye el hecho de que se pueda impedir la migración de determinadas especies marina en el momento del desove.

El aprovechamiento energético de las olas del mar está, prácticamente, en fase experimental. Un proyecto japonés utiliza la energía de las olas para mover una cámara de comprensión de válvulas que provoca la rotación de una turbina de aire.

La utilización de la energía térmica marina o maremotérmica se fundamenta en el desnivel térmico entre la superficie y nivel profundo del mar. Este desnivel es mucho más acusado en zonas tropicales donde puede haber diferencias de temperatura entre el fondo y la superficie de hasta 28°C.

La transformación de energía térmica en eléctrica se lleva a cabo mediante el ciclo termodinámico de Rankine, que puede efectuarse de dos formas:

– Ciclo abierto. Sistema a baja presión en el que el agua caliente del mar se introduce en un evaporador a baja presión (0,03 atm) provocando la ebullición

del agua, el vapor generado alimenta una turbina. Esta ha de ser de gran diámetro ya que para obtener alguna potencia son necesarias grandes cantidades de vapor.

– Ciclo cerrado. Se utiliza un fluido intermedio muy volátil como el amoniaco que al tomar el calor del agua marina se evapora y mueve la turbina.

3.3.Ahorro energético

Las últimas tendencias consideran el ahorro energético como un recurso más ya que reducir la extracción de recursos cada día menos abundantes.

Ahorro energético es el esfuerzo por reducir la cantidad de energía para usos industriales y domésticos. Aproximadamente la mitad de la energía consumida en Europa occidental se destina a edificios domésticos y comerciales. Se debe estimular el diseño de edificios con buen aislamiento, el uso eficaz de la energía en la iluminación, la instalación de sistemas de control de energía y la de aparatos modernos y eficaces para calefacción, aire acondicionado, cocinas y refrigeración.

En el sector industrial el ahorro de electricidad puede conseguirse mediante sistemas avanzados de control de potencia, la instalación de motores eléctricos modernos para ventiladores, bombas, mecanismos de transmisión..., y la instalación de equipos de iluminación de alta eficacia. La construcción de sistemas de Cogeneración o de Energía y Calor Combinados en los que el calor de salida de la turbina de gas o vapor e incluso de los motores diesel se emplea para alimentar los generadores de electricidad y suministrar vapor y calor a los distintos elementos de la fábrica. Estos sistemas tienen un rendimiento global en el uso de la energía de más del 80%.

No todas las instalaciones industriales o consumidores son potenciales cogeneradores. Los consumidores de energía térmica (vapor, fluido térmico, agua caliente, gases para secado) a temperaturas inferiores a los 500 °C. También los grandes consumidores de frío pueden utilizar sistemas de cogeneración. En los últimos años se ha introducido el concepto de Trigeneración que se basa en la producción de calor, electricidad y frío.

Existen diversos sistemas de plantas de cogeneración: turbina de gas en ciclo simple o en ciclo combinado, con motores alternativos, etc. La más clásica es la de turbina de gas en ciclo simple y consta básicamente de un generador eléctrico y de un sistema de recuperación de calor. La planta de Trigeneración es esencialmente una planta de cogeneración a la que se le ha añadido un sistema de absorción para producción de frío.

4. PRODUCCIÓN DE DIFERENTES FORMAS DE ENERGÍA

4.1.Energía eléctrica

La energía eléctrica se puede obtener fundamentalmente de dos formas: mediante generadores químicos o generadores electromagnéticos. El uso de generadores químicos se limita a receptores móviles y de bajo consumo; la mayor parte de la producción de energía eléctrica se produce mediante generadores electromagnéticos en instalaciones que reciben el nombre de centrales eléctricas.

4.1.1. Generadores químicos

El físico italiano Alessandro Volta fue el precursor de los generadores químicos al desarrollar, a inicios del siglo XIX, la llamada pila de Volta. El físico francés Georges Leclanché inventó, en el último tercio del mismo siglo, la pila seca, que con pequeñas variaciones se continúa utilizando hoy en día.

Los generadores químicos están constituidos por, al menos, un elemento básico denominado celda. La conexión de dos o más celdas da lugar a los generadores comúnmente conocidos como baterías.

Las partes básicas de una celda son: electrodos y electrolito. Los electrodos de un generador son dos:

El electrodo positivo o ánodo y el electrodo negativo o cátodo, están formados por elementos químicos en estado sólido y constituyen los elementos de conexión exterior. El electrolito7 es básicamente un conductor iónico, en el que están inmersos los electrodos que, debido a desplazamiento de iones entre los electrodos, permite la transferencia interna de electrones.

Los generadores químicos se pueden clasificar en función de múltiples variables como el tamaño, la tecnología de fabricación, posibilidad de recarga o el uso habitual, etc. La clasificación más general es en función de la posibilidad de recarga:

– Generadores químicos primarios (admiten una sola carga en el momento de su fabricación).

– Generadores químicos secundarios o acumuladores (las reacciones químicas internas son reversibles por lo que pueden ser recargadas).

4.1.1.1. Generadores químicos primarios

7 Compuesto químico que puede ser de tipo ácido, básico o salino.

– Cinc-Carbón:

Es la pila seca más utilizada hasta el momento por su bajo coste económico, aunque su uso se limita a receptores de bajo consumo, su fem es de 1,5-1,6 V. Está formada por un electrodo de carbón con un recubrimiento de peróxido de manganeso que se encarga de absorber el hidrógeno que se pueda formar. Un vaso de cinc forma el electrodo negativo y el electrolito es una solución de sal de amoníaco espesada.

– Mercurio:

Está formado por óxidos de cinc y mercurio. Entrega una fem de 1,4 V por elemento y, a pesar de su pequeño tamaño (pila de botón), tiene un elevado rendimiento y gran estabilidad de tensión.

– Óxido de plata:

Estas pilas con forma de botón tienen una tensión nominal de 1,5 V y entre sus características más sobresalientes destacan una curva de descarga muy plana y la posibilidad de almacenamiento durante años.

4.1.1.2. Generadores químicos secundarios

El acumulador más habitual es el de electrodos de plomo, ya que se utiliza como elemento de arranque en los automóviles; pero en los últimos años han aparecido en el mercado acumuladores que utilizan materiales como: níquel, cadmio, manganeso, etc.

– Acumulador de plomo:

Una batería de acumuladores de plomo está compuesta por varias parejas de láminas de bióxido de plomo y de plomo separadas mediante láminas de fibra de vidrio o similar. Las primeras constituyen el electrodo positivo y las segundas el negativo. El electrolito es una solución de ácido sulfúrico. La fem por celda o acumulador es de 2,1 V, la conexión de varios acumuladores permiten obtener baterías de fem de 12 V y 24 V, que son los valores más habituales en el mercado.

Cuando el acumulador funciona los electrodos se ven sometidos a reacciones químicas que van modificándolos, de modo que cuando está descargado los dos electrodos sólo contienen sulfato de plomo.

Las reacciones que tienen lugar en las placas son:

En la placa positiva: PbO2 + SO + 4H+ + 2e- PbSO4 + 2H2O

En la placa negativa: Pb + SO PbSO4 + 2e-

Aplicando una fem, en el sentido adecuado, el acumulador se carga y los electrodos vuelven a su estado inicial.

– Níquel-Cadmio:

Es un elemento secundario muy conocido ya que sus características físicas le hacen adecuado para alimentar elementos móviles como: máquinas de afeitar, destornilladores, electrodomésticos, etc. Están formados por un electrodo positivo de láminas sinterizadas8 y un electrodo negativo de electrodepósito, el electrolito es potasa cáustica.

4.1.2. Centrales hidráulicas

Las centrales hidráulicas aprovechan, mediante un desnivel, la energía potencial contenida en la masa de agua que transportan los ríos para convertirla en energía eléctrica, utilizando grupos turbina-alternador.

Aunque existen varios criterios para clasificar las centrales hidráulicas, atendiendo a la regularidad de las aportaciones de agua se pueden clasificar en:

– Centrales fluyentes . Cuando el caudal del río garantiza aportaciones regulares de agua, ésta se puede aprovechar directamente o mediante un pequeño embalse.

– Centrales con regulación . Cuando es necesario generar embalsamiento de agua mediante una presa.

Los componentes fundamentales de una central hidráulica son: la presa, los aliviaderos, las tomas de agua y la sala de máquinas.

8 Aglomeración de los polvos de metal por la acción del calor y la presión. Los metales sinterizados son muy porosos.

La presa es un elemento esencial en la mayoría de los aprovechamientos hidráulicos y sus características dependen de la orografía del terreno y del curso de agua a aprovechar. Existen dos grandes tipos: de gravedad y de bóveda.

Los aliviaderos permiten liberar parte del agua retenida sin pasar por la sala de máquinas, con el fin de evitar rebosamientos en caso de avenida o atender a necesidades de riego o suministro urbano.

Las tomas de agua, situadas en la pared anterior de la presa, permiten conducir el agua a la sala de máquinas. En las tomas se colocan compuertas al objeto de controlar el caudal de agua y rejillas que impiden la entrada de objetos extraños que puedan dañar las turbinas.

En la sala de máquinas se ubican los equipos generadores formados por grupos turbina-alternador. Las turbinas más habituales son:

– Turbinas Pelton . En aprovechamientos con gran desnivel y caudal regular.

– Turbinas Francis . En aprovechamientos de desnivel intermedio y caudales variables.

– Turbinas Kaplan . En aprovechamientos con poco desnivel y caudales muy variables.

La turbina siempre está unida mecánicamente al eje del rotor del alternador de modo que, cuando el agua choca con los álabes de la turbina, se produce un giro en el rotor y por inducción se genera una señal eléctrica de alta intensidad y media tensión en el estator. Al mismo tiempo gira el grupo excitatriz, un generador de corriente continua que se encarga de excitar los polos del rotor del alternador.

La corriente alterna generada ha de ser convertida en una señal de alta tensión, mediante un transformador, para poder ser transportada sin grandes pérdidas al punto de consumo (normalmente situado a muchos kilómetros).

Existe un tipo de central hidráulica, denominada de bombeo, que hace un aprovechamiento óptimo del recurso energético ya que no devuelve agua al río. Consta de dos embalses y en las horas punta actúa como una central convencional produciendo energía eléctrica que envía a la red y enviando el agua utilizada al embalse inferior. En

las horas valle bombea el agua acumulada en el embalse inferior al superior de manera que se recupera el recurso.

4.1.3. Centrales térmicas

Las centrales térmicas convencionales producen energía eléctrica a partir de la combustión de los denominados combustibles fósiles. Se denominan convencionales para distinguirlas de otros tipos de centrales termoeléctricas (nucleares, solares) que utilizan otros tipos de combustibles.

El principio de funcionamiento de todas las centrales térmicas convencionales es el mismo con independencia del combustible utilizado. La diferencia estriba en el tratamiento a que se somete al combustible antes de ser inyectado en la caldera y en los quemadores de ésta.

Toda central térmica ha de disponer de sistemas de almacenamiento del combustible que asegure la existencia de una cantidad suficiente.

Cada tipo de combustible ha de ser sometido a un tratamiento previo antes de ser enviado a la caldera:

– El carbón ha de molerse y enviado a la caldera mediante chorros de aire precalentado.

– El fuel ha de ser precalentado para su fluidificación.

En la caldera, mediante los quemadores, se produce la combustión generándose energía calorífica. Ésta convierte en vapor a alta temperatura el agua que circula por una extensa red de tubos ubicados en las paredes de las calderas. Este vapor entra a gran presión en la turbina, que consta de tres cuerpos solidarios colocados en el siguiente orden:

– Cuerpo de alta presión. Consta de centenares de álabes de pequeño tamaño.

– Cuerpo de media presión. Consta de centenares de álabes de tamaño intermedio.

– Cuerpo de baja presión. Consta de álabes de mayor tamaño que los anteriores.

Esta disposición permite el aprovechamiento pleno de la energía calorífica, dado que el vapor va perdiendo presión progresivamente. El vapor, antes de entrar en la turbina, ha de ser deshumidificado par evitar la corrosión de los álabes.

La turbina genera energía mecánica que mueve al alternador, generando energía eléctrica que, convenientemente transformada, se envía a la red de distribución.

4.1.4. Centrales nucleares

Las centrales nucleares son centrales termoeléctricas que se diferencian de las clásicas en el combustible utilizado y en el elemento encargado del aprovechamiento del combustible para producir vapor de agua.

En las centrales nucleares la fuente de calor se consigue mediante la fisión de núcleos de uranio. La fisión nuclear, tal como se ha explicado en el apartado 3.1.2, consiste en una reacción por la cual ciertos núcleos de elementos químicos pesados se escinden o fisionan por el impacto de un neutrón, emitiendo neutrones y liberando gran cantidad de energía en forma de calor. Los neutrones resultantes pueden provocar, en determinadas condiciones, nuevas reacciones de fisión produciéndose una reacción nuclear en cadena.

Las máquinas que permiten iniciar, mantener y controlar una reacción en cadena de fisión nuclear se denominan reactores nucleares; esta máquina es el equivalente a la caldera de las centrales termoeléctricas clásicas. También, por analogía con éstas, podríamos llamar "combustible nuclear" al uranio consumido en las centrales nucleares, aunque en éstas no se produzca ninguna reacción de combustión química.

Los diferentes tipos de reactores nucleares existentes vienen definidos por tres componentes principales:

– El combustible. El combustible nuclear, almacenado en el núcleo del reactor, ha de ser un elemento fisionable que, en ausencia de neutrones, se mantenga estable a largo plazo. Esta condición solamente la cumplen tres isótopos: el Uranio-233, el Uranio-235, y el Plutonio-239. Sólo el Uranio-235 se encuentra en la naturaleza, aunque en baja proporción; el Uranio-233 se obtiene por bombardeo de neutrones del Torio-232 y el Plutonio-239 por bombardeo del Uranio-238; a estos dos isótopos se les conoce como isótopos fértiles. El combustible nuclear suele ser una mezcla de isótopos fisionables e isótopos fértiles.

– El moderador. Los neutrones emitidos en el proceso de fisión tienen una gran energía cinética; para asegurarse que dichos neutrones impacten en nuevos núcleos de uranio, es preciso reducir dicha energía o, lo que es lo mismo, "moderar" su velocidad. Esto se consigue con sustancias como el agua pesada, el carbón (grafito), el agua ligera, etc.

– El refrigerante. Para extraer el calor del núcleo del reactor y transportarlo al grupo turbina-generador, se utiliza un líquido refrigerante. Éste transporta el calor generado por el núcleo hasta el grupo generador y vuelve de nuevo al núcleo para iniciar el ciclo.

Atendiendo a las características de cada uno de estos tres elementos, existen los siguientes tipos de reactores:

– Reactor de agua ligera. Estos reactores utilizan como combustible el óxido de uranio isotópicamente enriquecido con un 3% de Uranio-235 y como moderador y refrigerante agua purificada. Los dos siguientes son una variante de este reactor.

– Reactor de agua a presión (PWR). El combustible es óxido de uranio. El refrigerante es agua a una presión de unas 150 atmósferas, se bombea a través del núcleo del reactor donde se calienta a una temperatura superior a 300°C y, posteriormente, se bombea hasta un generador de vapor, donde mediante intercambiadores de calor calienta un circuito secundario de agua que se convierte en vapor. Este vapor se utiliza como propulsor del grupo de máquinas generadoras. El vapor, una vez condensado mediante un tercer circuito de agua, vuelve al generador de vapor. Este tercer circuito emplea agua de una fuente natural o una torre de refrigeración.

– Reactor de agua en ebullición (BWR). El agua de refrigeración se mantiene a una presión menor que en el RAP, por lo que hierve dentro del núcleo. El vapor de agua producido en la vasija del reactor se dirige directamente al grupo generador, se condensa y se bombea de nuevo al reactor. El agua de refrigeración procede de una fuente independiente como en el RAP.

Una característica común a todos los reactores es que, durante su funcionamiento, e incluso una vez desconectado, en su interior hay una radiactividad de miles de millones de curios9. Para la absorción de dicha radiación se utilizan blindajes de hormigón de gran espesor alrededor del reactor y del circuito primario de refrigeración.

Dado que las reservas de uranio se suponen limitadas y debido al bajo aprovechamiento que del Uranio hacen los reactores mencionados anteriormente, se han experimentado y puesto en funcionamiento reactores autorregenerativos (también conocidos como reactores reproductores o rápidos) cuya principal característica es la de producir más combustible que el que consume mediante la absorción de los neutrones sobrantes por un material fértil.

9 Curio (Ci) se define como la actividad de una cantidad de sustancia radiactiva en la que se desintegran 3,7·1010 átomos por segundo. En el SI se utiliza el becquerel (Bq) 1 Ci = 3,7·1010 Bq.

Reactores autorregenerativos. El reactor autorregenerativo más utilizado emplea U-238 como material fértil. Cuando éste absorbe neutrones, se convierte en otro material fisionable (Pu-239) por un proceso nuclear conocido como desintegración . Se produce la secuencia de reacciones nucleares siguiente:

U + n U Np Pu

El reactor autorregenerativo rápido de metal líquido (RARML) es el más habitual entre aquellos que utilizan esta tecnología. No utiliza ningún moderador, ya que provocaría el frenado de los neutrones; los neutrones han de mantener una velocidad alta para optimizar la producción de Pu-239. El refrigerante más utilizado es el sodio (Na) líquido, ya que posee grandes propiedades de transferencia de calor.

Otro tipo de reactor, cada vez menos habitual, es el refrigerado por gas. Existen tres variantes: GCR, AGR y HTGR.

TIPO DE REACTOR COMBUSTIBLE REFRIGERANTE MODERADOR

REACTORES LENTOS

PWR

Presurized Water ReactorU Enriquecido Agua ligera Agua ligera

BWR

Boiling Water ReactorU Enriquecido Agua ligera Agua ligera

GCR

Gas Cooled ReactorU Natural Gas (CO2 He Aire) Grafito

AGR

Advenced Gas ReactorU Enriquecido Gas (CO2 He Aire) Grafito

HTGR

Higt Temper: Gas ReactorU Enriquecido Gas (He) Grafito

De agua pesada U Natural Agua pesada y ligera Agua pesada

Reactor rápido

AutorregenerativoPu + U Na líquido

Cuadro resumen de los tipos de centrales nucleares

4.1.5. Centrales solares

La energía solar puede ser aprovechada de dos formas: la térmica y la fotovoltaica. En el primer caso se transforma la energía procedente del Sol en energía calorífica para posteriormente transformarla en energía eléctrica. En el segundo, la energía solar se convierte directamente en energía eléctrica.

– Energía solar térmica. Los sistemas de aprovechamiento de la energía solar térmica pueden ser de baja, media y alta temperatura. Los de baja temperatura no se utilizan para la producción de energía eléctrica, por lo que nos limitaremos a estudiar los de media y alta temperatura.

Las instalaciones de media temperatura más habituales constan de un conjunto de colectores de concentración, generalmente de forma cilíndrico-parabólica, que recogen la energía solar y la transmiten a un fluido en forma de calor (temperaturas de 100°C a 300°C). El fluido una vez caliente, a través de un circuito primario, transporta dicha energía calorífica a una caldera, en donde es transferida a un circuito secundario. El fluido del circuito secundario, generalmente agua, se convierte en vapor y es enviado a un grupo generador (turbina y alternador) para producir energía eléctrica. Estas instalaciones suelen estar dotadas con un dispositivo capaz de almacenar energía en forma de calor, al objeto de asegurar el funcionamiento en casos de disminución de la radiación solar.

Las instalaciones de alta temperatura para la producción de energía eléctrica más habituales son las de receptor central. Estas instalaciones constan de un amplio número de heliostatos10 que concentran la radiación solar en un punto receptor, que habitualmente está instalado en una torre. Estas centrales se les conoce como centrales de torre central. El receptor transmite el calor acumulado a un fluido (agua, sales fundidas, sodio, aire, etc.) que circula por el circuito primario conectado con la caldera, que convierte en vapor el agua que circula por un circuito secundario. El vapor mueve el grupo generador. Los heliostatos se gobiernan desde un ordenador central, mediante mecanismos electrónicos, de forma que se mueven según dos ejes de giro (altura y acimut) para, en cada momento, estar en la posición más adecuada para recibir la máxima intensidad de radiación solar.

– Energía solar fotovoltaica. Los sistemas solares fotovoltaicos están formados por un conjunto de elementos, llamados células solares o fotovoltaicas, dispuestos en paneles, que transforman directamente la energía solar en energía eléctrica.

Existen diversos tipos de células solares: de silicio, de sulfuro de cadmio, de arseniuro de galio, etc. La célula de silicio convencional, aunque se continúe investigando con otros materiales, es la más habitual en el mercado. Está formada por un disco de silicio, impurificado con boro, de un espesor de 0,3 mm y que una de las caras se impurifica con fósforo mediante un proceso de difusión a alta temperatura, consiguiendo así una capa tipo n y otra tipo p.

10 Grandes espejos que reflejan la radiación solar.

Cuando la luz incide sobre la cara superior de la célula se rompen enlaces, generándose pares electrón-hueco y produciéndose una pequeña corriente eléctrica. La tensión máxima en extremos de la célula puede ser de 0,6 V, por lo que se recurre a conectar en serie un número determinado de células del mismo tipo para formar un panel voltaico.

Con este sistema no se alcanzan grandes potencias por lo que no suelen alimentar redes de transporte de energía eléctricas convencionales, pero existe gran número de instalaciones destinadas a suministrar energía eléctrica a núcleos aislados de las redes de transporte y distribución.

4.1.6. Centrales eólicas

El aprovechamiento de la energía del viento requiere de unas condiciones de velocidad, continuidad, etc., que no en todos los lugares se cumplen. La "densidad de potencia"11 del viento es un dato relevante, densidades inferiores a 50 W/m2 no justifican la instalación de una central eólica y sólo a partir de 200 W/m2 la instalación empieza a ser realmente rentable. El valor de densidad de potencia puede determinarse mediante la expresión:

siendo: d, la densidad del aire medida en Kg/m3

A, el área barrida por el rotor en m2

V, la velocidad del viento en m/s

Las máquinas utilizadas para producir electricidad se denominan aerogeneradores o turbinas eólicas; existen dos modelos: el de eje horizontal y el de eje vertical. Dado que el más generalizado es el primero, nos limitaremos a describir éste. Los elementos principales del modelo de eje vertical son: la hélice o rotor, la navecilla o góndola y la torre:

– El rotor consta de varias palas, cuyo número puede oscilar entre dos y seis. Inicialmente fueron fabricados en acero, aunque en la actualidad se tiende a utilizar elementos más ligeros como fibras de vidrio o de carbono. El problema que plantean es que se ven sometidos a intensas cargas aerodinámicas no uniformes, sufriendo fuertes vibraciones.

– La navecilla es el aerogenerador; ya en ella se encuentra el equipo mecánico y eléctrico que permite la transformación de la energía cinética adquirida por del rotor en energía eléctrica. Consta de un eje principal, adaptado al del rotor mediante un embrague, un engranaje dentro de una caja de cambios y un generador eléctrico. El control de la inclinación de las palas del rotor y posición de éste respecto al viento se hace mediante un microprocesador. Consta de un sistema de seguridad que permite tanto el bloqueo de las palas como del rotor.

11 Valor máximo de la potencia que se puede conseguir por cada unidad de área barrida por el viento. Se mide en W/m2.

– La torre puede ser cilíndrica o tronco-cónica, tanto de hormigón como metálica. Se emplean también torres similares a las utilizadas en los tendidos eléctricos. En su diseño se han de tener en cuenta las vibraciones a que se va a ver sometida y el acoplamiento adecuado con las que experimenta el rotor.

Una empresa española, en el marco de un acuerdo hispano-germano, instaló con fines experimentales una central que conjugaba las tecnologías de las centrales eólicas y las centrales termosolares, de una potencia de 100 KW. Conocida como central eólico-solar se componía de una cubierta plástica de 40.000 m2 de superficie (invernadero) que actuaba como colector, ya que al incidir sobre ella la radiación solar se calentaba el aire de su interior. El aire, debido al aumento de temperatura, ascendía con fuerza por una chimenea de 200 m de altura situada en el centro del campo colector. La corriente de aire en la chimenea movía un grupo generador produciendo energía eléctrica. Dado su carácter experimental hoy está fuera de funcionamiento.

4.2.Energía térmica

4.2.1. Calderas

La caldera es un dispositivo utilizado para generar vapor a presión superior a la atmosférica. Consta de dos partes diferenciadas: el hogar y el vaporizador. En el primero se consume el combustible y en el segundo el agua se convierte en vapor.

Aunque a lo largo de la historia existen experiencias sobre caldera de mayor o menor eficacia, sólo la caldera Watt, construida en 1785, se puede considerar como la precursora de las calderas modernas. Las calderas de vapor se pueden clasificar en función de diferentes parámetros: por la posición relativa de los gases calientes y del agua por la forma de los tubos y por el tipo de aplicación. El parámetro fundamental es el primero y en base a él se clasifican en: acuotubulares y pirotubulares. En las calderas pirotubulares los gases calientes pasan por el interior de los tubos, estando éstos rodeados de agua. En las calderas acuotubulares el agua o vapor pasa por el interior de los tubos y los gases calientes rodean a aquéllos.

4.3.Energía mecánica

La producción de energía mecánica se puede lograr por diversos métodos:

– Motores.

– Turbinas.

– Cilindros alternativos de vapor.

4.3.1. Motores

4.3.1.1. Motores eléctricos

Los motores eléctricos son máquinas rotativas que se fundamentan en el principio opuesto al de la inducción descubierto por Ampére que establece que "Si una corriente pasa a través de un conductor situado bajo la influencia de un campo magnético, éste ejerce una fuerza mecánica sobre el conductor". Los motores eléctricos pueden ser: de corriente continua y de corriente alterna.

– Los motores de corriente continua son, a nivel constructivo, exactamente iguales a las dinamos. Ya que la dinamo es una máquina reversible, capaz de transformar energía en sentidos opuestos, al absorber energía mecánica produce energía eléctrica (generador) y de manera inversa transforma energía eléctrica en mecánica (motor). Debido a los problemas que el sistema de conmutación (colector de del gas) presenta y que la energía eléctrica suministrada a través de la red es de corriente alterna, el uso de los motores de corriente continua ha quedado relegado a aplicaciones de baja potencia en sistemas autónomos.

– Los motores de corriente alterna se clasifican en síncronos y asíncronos, en función de que la velocidad de rotación, en régimen permanente, del órgano móvil (rotor), sea proporcional a la frecuencia de la corriente de alimentación de su inducido. A la velocidad de sincronismo el campo magnético giratorio creado por la corriente en el inducido gira a la misma velocidad que el creado por la corriente de excitación, resultando un par constante.

– Los motores síncronos están basados en el principio de reversibilidad de los alternadores. En estos motores, al inducido se ha de aplicar una corriente alterna cuya frecuencia esté en consonancia con la velocidad y número de polos del motor para conseguir un movimiento giratorio uniforme.

– Los motores asíncronos son aquellos cuyo rotor gira a una velocidad diferente de la del sincronismo con la frecuencia de la red. Este motor es el motor industrial por excelencia, debido a su sencillez constructiva y su seguridad de funcionamiento. El campo magnético variable creado en las bobinas inductoras, corta los conductores del inducido, generándose en este fuerzas electromotrices de inducción. La acción mutua del campo magnético y las corrientes en el inducido, consecuencia de la F.E.M. inducida, hacen girar el motor. Dependiendo del tipo de rotor que utilicen existen dos tipos: motores de rotor en cortocircuito o jaula de ardilla y motores de rotor bobinado.

4.3.1.2. Motores de combustión

Los motores térmicos son máquinas que transforman la energía calorífica, proveniente de un combustible, en energía mecánica. De forma general, se pueden clasificar en: alternativos, rotativos y de chorro. En los dos primeros el movimiento de los órganos que los componen viene generado por un fluido denominado fluido activo. En función del proceso de combustión, se clasifican en:

– Motores de combustión externa , cuando ésta se realiza fuera del fluido activo, mediante una caldera u otro tipo de intercambiador.

– Motores de combustión interna , cuando el combustible es quemado en el mismo fluido que forma parte de los productos de la combustión.

Los motores de uso más habitual son motores alternativos de combustión interna en los que la combustión se realiza en el fluido activo, constituido por una mezcla de combustible y comburente12 que en los motores terrestres es una mezcla de aire y combustible.

Los motores alternativos, en función de cómo se provoque la combustión, se dividen en:

– Motores de encendido por chispa .

– Motores de encendido por comprensión .

Las parte esenciales de estos motores son comunes a los dos tipos. El cilindro que es receptáculo donde se mueve el pistón en un movimiento rectilíneo alternativo. La parte superior del cilindro está cegada por la culata, el espacio comprendido entre la culata y el pistón forma la cámara de combustión, en la que se quema la mezcla de aire y combustible (fluido activo).

En los motores de encendido por chispa el fluido activo se forma en el carburador y llega al cilindro a través de la válvula de aspiración. La combustión se inicia al saltar la chispa entre los electrodos de la bujía.

12 Suministra el oxígeno necesario para la combustión, siendo el más habitual el aire.

En los motores de encendido por comprensión el combustible se introduce en el cilindro por medio de un inyector, la cantidad de combustible está regulada por la bomba de inyección. La combustión es debida a la alta temperatura del aire comprimido en el cilindro.

4.3.2. Turbinas

La turbina en un motor rotativo capaz de transformar en energía mecánica la energía procedente de corriente de agua, de vapor o de gas. Su elemento esencial es una rueda o rotor dotado de palas o hélices en su circunferencia exterior, de forma que el fluido en movimiento produce una fuerza tangencial que girar el rotor. Las turbinas pueden ser: hidráulicas, de vapor y de combustión.Las turbinas hidráulicas más habituales son:

– Turbinas Pelton . También denominadas de acción, se utilizan en aprovechamientos con gran desnivel y caudal regular. El agua se conduce por un canal o conducción forzada hasta una boquilla eyectora que convierte la energía cinética del agua en un chorro a presión.

– Turbinas Francis . También denominadas de reacción, se utilizan en aprovechamientos de desnivel intermedio y caudales variables. Su

funcionamiento se basa en la expansión del agua a través de los espacios entre las palas produciendo una fuerza tangencial que pone el rotor en movimiento.

– Turbinas Kaplan . Son turbinas utilizadas en aprovechamientos con poco desnivel y caudales muy variables. El ángulo de las palas se ajusta al volumen de agua permitiendo obtener rendimientos casi constantes.

Las turbinas de vapor se utilizan en centrales nucleares y en aplicaciones de cogeneración, suelen usarse en ciclos combinados con un generador de vapor que recupera el calor. Existen dos tipos de turbinas de vapor: las de acción y las de reacción.

5. TRANSFORMACIÓN DE LAS DISTINTAS FORMAS DE ENERGÍA

La sociedad actual puede concebirse como una gran máquina que transforma energía de alta calidad en diversas formas de energía (calor útil, luz, potencia) para crear una enorme variedad de bienes y servicios. La mejora en el rendimiento de transformación de la energía creció en la primera mitad de siglo a un ritmo anual (3,25%) más que el ritmo de consumo de combustibles (2,7%). En la segunda mitad del siglo la diferencia es cada vez menor, ya que el rendimiento de los combustibles es difícil de mejorar y los nuevos bienes y servicios exigen un mayor gasto de energía.

La optimización de los recursos energéticos requiere de la transformación de unas formas de energía en otras, a los aparatos o elementos capaces de tal transformación se les denominan convertidores.

5.1.Necesidades energéticas. Utilización de la energía

Los procesos productivos industriales, cada día más sofisticados, requieren de grandes aportes de energía en diversas formas; los equipos eléctricos y electrónicos que se instalan en un hogar moderno, junto con los sistemas de calefacción y refrigeración, suponen un importante incremento de consumo de energía eléctrica y combustibles fósiles. El gran incremento del parque automovilístico de las sociedades desarrolladas supone un elevado consumo de combustibles derivados del petróleo (gasolina y gasoil). Todos estas necesidades energéticas, y otras muchas, suponen la utilización de la energía en sus diversas forras.

5.1.1. Térmica

La energía térmica, necesaria tanto para usos industriales como domésticos, la obtenemos fundamentalmente mediante calderas alimentadas con gas o electricidad.

5.1.2. Mecánica

La energía mecánica, necesaria tanto para usos industriales como domésticos, la obtenemos fundamentalmente mediante motores y turbinas.

5.1.3. Luminosa

La luz es una de las manifestaciones de la energía, como lo es el calor, la electricidad, etc. La diferencia fundamental con algunas otras manifestaciones energéticas es que no necesita de un medio físico para propagarse. La transmisión de energía a través del espacio sin soporte material se denomina radiación13.

La luz se produce de varias formas:

– Combustión. La combustión de la materia fue el único medio de iluminación hasta que, en el año 1878, Edison construyó la primera lámpara eléctrica.

– Incandescencia. Al paso de la corriente eléctrica a través de un filamento, se produce calor y una radiación luminosa.

– Descarga gaseosa. Se produce emisión de radiaciones, de determinadas longitudes de onda, debido a la excitación de los electrones de las últimas capas del gas de la lámpara al chocar con otros.

– Fluorescencia. Este método es similar al anterior, las radiaciones ultravioleta, al incidir sobre las sustancias fluorescentes de la lámpara, modifican la frecuencia de radiación haciéndose visibles.

– Electroluminiscencia. El aumento de energía de los electrones de ciertas sustancias, supone que al retornar a su nivel normal irradian energía luminosa visible. Ejemplo: diodos LED, visualizadores o displays, etc.

13 Perturbaciones periódicas del estado electromagnético del espacio.

La tabla siguiente presenta las magnitudes fundamentales utilizadas en luminotecnia:

Magnitud Definición Unidad

Flujo luminoso ()Cantidad de energía luminosa radiada en un segundo.

Lumen (lm)

Intensidad luminosa (I)Relación entre el flujo luminoso contenido en un ángulo sólido y el valor del ángulo (/).

Candela (cd)

Nivel de iluminación (ES) Flujo incidente por unidad de superficie (/S). Lux

Luminancia (L)Relación entre la intensidad luminosa y la superficie aparente (visible)

Candela/m2

– Fluorescentes compactas.

– De vapor de mercurio de color corregido.

– De vapor de mercurio con halogenuros metálicos.

– De vapor de sodio a alta presión.

– De vapor de sodio a baja presión.

5.1.4. Electromagnética

La energía electromagnética se manifiesta en forma de radiaciones electromagnéticas que son ondas producidas por la oscilación de una carga eléctrica. La radiación electromagnética se presenta con un alto espectro de frecuencias, la luz visible representa sólo una pequeña parte del espectro, que está compuesto por rayos gamma, rayos X, radiaciones ultravioleta, rayos infrarrojos, microondas y radiofrecuencias. Estas últimas tienen una importancia capital en el mundo de las comunicaciones, ya que nos permiten enviar información (visible y audible) a grandes distancias.

La tabla siguiente presenta las magnitudes fundamentales utilizadas para medir las ondas electromagnéticas:

Magnitud Definición Unidad

Frecuencia (f) Es el número de ciclos que se repiten en un segundo. Hertzio (Hz)

Periodo (T) Es el tiempo necesario para recorrer un ciclo. (T=1/f) Segundo (s)

Longitud de onda () Camino recorrido por una onda durante un periodo.

Angström (Å)

Å = 10-6 mm

Micra ()

= 10-3 mm

Las ondas electromagnéticas no necesitan de un medio material para propagarse. Independientemente de su frecuencia y longitud de onda se desplazan en el vacío a la velocidad de la luz (C = 299.792 Km/s).

El espectro de frecuencias radioeléctricas es el conjunto de ondas cuya frecuencia está comprendida entre 3 Kilohertzios y 3000 Gigahertzios. El espectro de frecuencias radioeléctricas, de acuerdo con el reglamento de Radiocomunicaciones de la Unión Internacional de Telecomunicaciones, es tal como se muestra en la tabla siguiente:

Nº de banda Margen de frecuenciaDesignación por su

longitudDesignación por su

frecuencia

4 3 a 30 KHz Miriamétricas VLF (muy baja frecuencia)

5 30 a 300 KHz Kilométricas LF (baja frecuencia)

6 300 a 3.000 KHz Hectométricas MF (media frecuencia)

7 3.000 a 30.000 KHz Decamétricas HF (alta frecuencia)

8 30 a 300 MHz Métricas VHF (muy alta frecuencia)

9 300 a 3.000 MHz Decimétricas UHF (ultra alta frecuencia)

10 3.000 a 30.000 MHz Centimétricas SHF (super alta frecuencia)

11 30.000 a 300.000 MHz Milimétricas EHF (extrema alta frecuencia)

12 300.000 a 3.000.000 MHz Decimétricas

5.2.Transformación de energía eléctrica

Se puede convertir en:

– Térmica. Mediante el uso de calderas eléctricas.

– Mecánica. La transformación de la energía eléctrica en mecánica mediante los motores eléctricos.

– Luminosa. La transformación de la energía eléctrica en luminosa se realiza mediante las lámparas eléctricas.

– Electromagnética. En la generación de las ondas electromagnéticas utilizadas para la propagación de las señales audibles (radioemisión) y visibles (televisión) se utilizan diversos circuitos electrónicos como osciladores, amplificadores, moduladores, demoduladores, etc.

5.3.Transformación de energía térmica

Se puede convertir en:

– Eléctrica. Los convertidores termoeléctricos se basan en el efecto Seebeck, que consiste en la generación de corriente eléctrica en un circuito formado por dos conductores metálicos de distinta naturaleza, cuando en la unión de ambos se establece una diferencia de temperatura. Se utiliza como medidor de temperatura.

– Mecánica. El principal convertidor de energía térmica en mecánica es la turbina de vapor.

– Luminosa. La combustión de determinados combustibles líquidos fue el único sistema de iluminación conocido hasta la aparición de las lamparas eléctricas.

BIBLIOGRAFÍA

Barrachina, M, et al.; El libro de la energía, FAE, Madrid, 1987.

Cansedo, A; Tecnología de combustibles. ETS de Ingenieros de Minas, Madrid, 1975.

Chauncey, S. et al; Scientific american: la energía. Alianza, Madrid, 1982.

Díaz, M. et al; La crisis de la energía. Bases históricas y alternativas. Salvat Editores, Barcelona, 1980.

FAE; "222 cuestiones sobre la energía".

Giacosa, D.; Motores térmicos. Dossat, Barcelona, 1986.

Jutglar, L. et al.; La energía. Alhambra, Madrid, 1986.

Kingsley et al.; Teoría y análisis de las máquinas eléctricas. Hispano Europea, Barcelona, 1980.

Monpín, J; Energía solar fotovoltaica. Marcombo, Barcelona, 1983.

Piorno Hernández, A. y Orgaz Oviedo, F.; Energías renovables: aproximación a su estudio. Amarú Ediciones, Salamanca, 1993.

Puigdoménech, P.; Los caminos de la física. Salvat Editores, Barcelona, 1981.

Rapp, J.; Tratado práctico de electrotecnia. Vagma, Bilbao, 1964.

Sears, F. W.; Fundamentos de física. Aguilar, Madrid, 1972.

Severns, W. H.; Energía mediante vapor, aire o gas. Reverte, Barcelona, 1982.

Unesa; "Centrales Eléctricas".