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La energía del futuro y sus aplicaciones

175,00 €
Contenido: 
1 libro + 3 DVD
Idioma: 
Castellano
Páginas: 
137
ISBN: 
978-84-8033-518-8

La energía del futuro y sus aplicaciones es una obra producida por Tibidabo Ediciones, S.A. Ha sido dirigida por el Dr. Asiaín García, de la Universidad de Barcelona, contando en su equipo de trabajo con el biólogo José María Busquets y el físico Juan Aragonés.

La finalidad de la obra es aportar conocimientos sobre las futuras fuentes de energía y sus aplicaciones, describiendo sus características básicas y explicando los diferentes tipos de energías alternativas que existen y otras de nueva investigación reciente.

Al explicar la energía se trata, también, el derroche energético que se está llevando a cabo en los últimos tiempos y se hace especial hincapié en los fenómenos altamente negativos que conlleva este derroche, entre ellos el cambio climático o el agujero de la capa de ozono.

Como solución para paliar estos efectos tan negativos para la Tierra, en la obra se explica cómo podemos obtener energía eficientemente en base a nuevos estudios en el campo de la biología y de la física ofreciendo alternativas energéticas mediante diferentes tipos de energías alternativas, cuyo consumo es menos nocivo para el medio, como por ejemplo los biocombustibles o la producción de hidrógeno creado en base a bacterias creadas genéticamente:



"Los biocarburantes son combustibles líquidos o gaseosos obtenidos o derivados de los seres vivos, concretamente de la biomasa, es decir, de la materia o de la masa que forma el cuerpo de los propios organismos".

Tanto el vocabulario de la obra, como las explicaciones y estructuración temática, hacen más comprensibles diferentes fenómenos científicos y ayudan a la concienciación sobre la importancia de no derrochar energía y de tratar de paliar el cambio climático y los devastadores efectos que comporta.

 

ENERGÍA

Imaginemos un reproductor de mp3, una linterna, un coche que está en movimiento, una televisión en funcionamiento, una cadena de música. Toda esta tecnología funciona mediante el aporte de energía. Según la física podemos definir la energía como la capacidad de realizar un trabajo. En el caso de un coche el motor quema combustible y el coche se mantiene en movimiento.

 

FUENTES DE ENERGÍA

Durante un día en el primer mundo, cada habitante consume una cantidad de energía considerable ya que toda la tecnología que utilizamos necesita energía: calefacción, aire acondicionado, ordenador, alumbrado, lavaplatos, lavadora, secadora, nevera, cocina, televisión, cadena de música, calculadora, secador de pelo, máquina de afeitar, transporte, reproductor mp3, discman, móvil. ¿Qué forma tiene la humanidad de conseguir energía?¿De dónde proviene? Esta energía proviene de nuestro entorno. Las fuentes de energía son muchas más de las que utilizamos. Se pueden clasificar en renovables y no renovables.

 

NECESIDADES ENERGÉTICAS

Entre el año 1980 y el año 2004 la demanda de energía primaria aumentó un 54% y se espera que crezca un 1,6 % anual hasta el año 2030. La demanda de electricidad se incrementará más rápidamente y se doblará desde el año 2004 hasta el 2030 incrementándose de media un 2,6 % por año. Según las Naciones Unidas la población mundial pasará de 6400 millones de personas en el año 2004 a 8100 millones hacia el año 2030 por lo que la demanda de energía seguirá incrementándose. Se espera que este incremento esté alrededor de un 53%. Donde más se incrementará la demanda será en Asia, concretamente en países como India y China.

 

ENERGÍA SOLAR TÉRMICA

Las reacciones termonucleares que se producen en el Sol hacen posible que nos llegue a la Tierra una considerable cantidad de energía. Concretamente se reciben anualmente 5,4 por diez a la veinticuatro Joules. Esta cifra es unas cuatro mil veces la energía consumida. Podemos aprovechar la radiación solar para tener agua caliente en las casas, para calentar piscinas o para producir electricidad mediante centrales solares.

 

ENERGÍA GEOTÉRMICA

La temperatura de la Tierra aumenta con la profundidad y se puede utilizar la energía asociada a este fenómeno. Podemos establecer que la energía geotérmica es la que se obtiene mediante la extracción y aprovechamiento del calor del interior de la Tierra. Es una energía calorífica , producida en las profundidades de nuestro planeta, que se transmite por conducción térmica hacia la superficie.

 

ENERGÍA SOLAR FOTOVOLTAICA

El efecto fotovoltaico consiste en la conversión de energía luminosa en energía eléctrica. Fue descubierto por Edmond Becquerel en 1839, pero no se llegó a comercializar hasta mediados del siglo XX. En 1951 se logró fabricar silicio de una gran pureza. El silicio tiene cuatro electrones de valencia que comparte con los cuatro electrones de su átomo vecino mediante un enlace covalente. La unión de muchos átomos forma una red cristalina.

 

ENERGÍA EÓLICA

La energía eólica es la energía debida al viento. Ya fue usada en la antigedad para mover embarcaciones y molinos. Actualmente se utiliza como fuente de energía renovable para producir electricidad. Para su conversión se utilizan unos aparatos parecidos a un molino de viento llamados aerogeneradores. Así la energía cinética del viento se convierte en energía mecánica del rotor que, a su vez, es convertida en energía eléctrica.

 

ENERGÍA HIDRáULICA

La energía hidráulica aprovecha la energía potencial de una masa de agua, como la contenida en un embalse, para convertirla en energía eléctrica. El salto de agua se utiliza para obtener la energía. La energía potencial que tiene el agua al estar a una cierta altura se convierte en energía cinética mediante el salto. La energía cinética se encarga de mover una turbina que, a su vez, mueve un generador eléctrico produciendo electricidad.

 

ENERGÍA NUCLEAR: FISIÓN

Todos hemos visto películas o fotografías de explosiones atómicas o sabemos que en un reactor nuclear se obtiene energía eléctrica a partir de ciertos núcleos atómicos. En todos estos procesos se libera energía del núcleo atómico debida a las reacciones que tienen lugar. Dichas reacciones se denominan reacciones de fisión.

 

ENERGÍA DEL MAR: OLAS, CORRIENTES Y GRADIENTE TÉRMICO

Dejando a un lado la energía mareomotriz, podemos obtener energía del mar aprovechando el oleaje, las corrientes marinas y el gradiente térmico.

Existen varios métodos para aprovechar la energía que aporta el oleaje.

 

ENERGÍA MAREOMOTRIZ

Newton en sus Principia ya calculó la altura de la marea según la época del año y la latitud del lugar. Fue Laplace el científico que, posteriormente, complementó las teorías de Newton.

 

Existen diariamente cuatro mareas: dos mareas altas o pleamares y dos mareas bajas o bajamares. La diferencia entre una pleamar y una bajamar se denomina amplitud de marea. Los causantes de este fenómeno son, principalmente, la Luna y, en menor medida, el Sol, con su fuerza de atracción, y la rotación de la tierra. Las mareas solares tienen un período de 24 horas y, al estar más alejado, sus efectos son menores. Los efectos causados por la Luna son dos veces mayores que los causados por el Sol.

 

HIDRÓGENO

A lo largo de los años se han utilizado diferentes combustibles para obtener energía. Hasta mediados del siglo XIX se usó la madera y posteriormente se utilizó el carbón como fuente de energía. A partir del siglo XX, y con la llegada del automóvil, se empezó a utilizar el petróleo, combustible líquido que se podía transportar mediante tuberías, y que se convirtió en la principal fuente de energía. Últimamente la utilización del gas natural está a punto de superar a la del carbón.

 

¿Cuál va a ser el combustible del futuro? Todo apunta al hidrógeno. De hecho se ha usado como uno de los combustibles, en estado líquido, en el lanzamiento y propulsión de naves espaciales. Es el primer elemento de la tabla periódica y el más abundante en el universo. Salvo pequeñas cantidades de hidrógeno molecular en la atmósfera, en la Tierra se encuentra en compañía de otros elementos.

 

LA LLUVIA áCIDA

Cuando se queman combustibles fósiles en centrales térmicas, fábricas y vehículos de automoción se generan óxidos de nitrógeno y de azufre. Estos óxidos reaccionan con la humedad atmosférica para dar ácido nítrico y ácido sulfúrico, respectivamente. Así cuando el óxido de nitrógeno procedente del cilindro abandona el tubo de escape de un vehículo y entra en contacto con la atmósfera se produce ácido nítrico.

 

EL OZONO Y LA CONTAMINACIÓN

En nuestra atmósfera se encuentra esta molécula, el ozono, formada por tres átomos de oxígeno, que si se respira en grandes cantidades es un gas tóxico. Se encuentra en la estratosfera y es producido por la acción de la luz solar sobre el oxígeno. Las moléculas de oxígeno se rompen, por acción de la radiación ultravioleta, para dar átomos de oxígeno. Los átomos de oxígeno se combinan con moléculas de oxígeno para producir ozono.

 

En realidad la capa de ozono estratosférica nos protege de la radiación ultravioleta que nos llega del Sol. Así una gran porción de dicha radiación se convierte en infrarroja antes de que alcance la superficie de la Tierra.

 

LAS PILAS DE COMBUSTIBLE

La pila de combustible fue inventada por el científico inglés William Grove en 1839, aunque apenas fue utilizada hasta pasada la mitad del siglo XX en los viajes espaciales. Posteriormente, en los años 90 del siglo XX, se investigó mucho más esta tecnología.

 

En una pila de combustible se transforma la energía química de una combustión en energía eléctrica. En general se combinan hidrógeno y oxígeno para formar agua.

 

SUPERCONDUCTIVIDAD

Este fenómeno físico fue descubierto por Kamerlingh Onnes, en 1911, al estudiar la conducción de metales cerca del cero absoluto de temperaturas. La resistencia del mercurio se anulaba por debajo de los 4,15 Kelvin. Vio posteriormente que otros metales tenían un comportamiento parecido. Esta temperatura por debajo de la cual se anula la resistencia del material se llama temperatura crítica.

 

Otra de las propiedades importantes de los superconductores es que cuando se trabaja con corriente continua la resistencia se anula completamente por debajo de la temperatura crítica. Ahora bien con corriente alterna no sucede lo mismo y se producen disipaciones.

 

TRANSPORTE DE ELECTRICIDAD

Una vez obtenida la electricidad mediante diversas fuentes de energía hay que transportarla a los centros de consumo. Las líneas de conducción suelen diferenciarse en líneas de transporte, en las que la corriente se encuentra a un voltaje elevado, y en líneas de distribución donde la corriente está a bajo voltaje.

Dentro de estas últimas cabe diferenciar las de media tensión, que trabajan con tensiones entre 3 y 30 kilovoltios y se encargan de unir las estaciones transformadoras de distribución con los centros de transformación. Las otras líneas son las de distribución de baja tensión, que son redes que, partiendo de los centros de transformación, llegan a nuestros hogares con un voltaje de 220 voltios y constituyen el último elemento de la cadena de transporte.

 

CARBÓN, FUEL Y GAS NATURAL. CENTRALES TÉRMICAS

En una central térmica convencional se queman combustibles fósiles y se genera electricidad. Generalmente el combustible utilizado es carbón, fuel o gas. El vapor generado en la combustión se encarga de mover una turbina que está conectada a un generador eléctrico. Los transformadores se encargan de elevar la tensión de la corriente eléctrica para transportarla minimizando las pérdidas por efecto Joule.

 

CENTRALES DE CICLO COMBINADO

Uno de los principales problemas de las centrales térmicas es su rendimiento. En una central térmica la energía química contenida en el combustible se convierte en energía térmica que va a un circuito de vapor a presión, portador de energía mecánica, que, a su vez, se convierte en energía eléctrica al pasar a una turbina conectada a un generador.

 

RESIDUOS NUCLEARES

El problema de las centrales nucleares es el de la radioactividad del combustible utilizado y de los productos derivados de la fisión.Dentro de los residuos nucleares, hay que contar también los usados en medicina y en la industria. Podemos clasificar los residuos nucleares por su período de semidesintegración en residuos de vida muy corta con períodos de unos 90 días, residuos de vida corta con períodos de semidesintegración de unos 30 años y residuos de vida larga con períodos superiores a 30 años.

 

TIPOS DE REACTORES NUCLEARES

Los reactores nucleares convierten la energía liberada en el proceso de fisión de un determinado núcleo en energía eléctrica. En 1942 Fermi obtuvo dicha energía con el primer prototipo de reactor nuclear llamado pila atómica.

 

REACTORES DE FUSIÓN

¿De dónde proviene la energía de las estrellas? En el siglo XX los físicos hallaron la respuesta. En el interior de las estrellas, tales como nuestro Sol, tiene lugar una serie de reacciones nucleares de fusión. El proceso de fusión es el contrario al de fisión, donde se escinde un núcleo pesado en dos más ligeros, liberando una cierta cantidad de energía. En la fusión dos núcleos ligeros se fusionan dando lugar a un núcleo más pesado con el consiguiente desprendimiento de energía. Así en el Sol se produce el ciclo protón-protón donde dos núcleos de hidrógeno se fusionan produciéndose una serie de reacciones intermedias para obtener finalmente helio 4.

 

¿QUÉ ENTENDEMOS POR BIOENERGÉTICA Y BIOCARBURANTES?

Aunque la bioenergética nació como una rama de la bioquímica la podemos entender, en sentido amplio, como una disciplina que abarca todo lo que hace referencia a cualquier transformación o conversión de la energía por parte de los organismos, a través de reacciones biológicas como la bioconversión o la biogeneración. La bioconversión es la conversión de materiales orgánicos como los rastrojos de plantas o los despojos de animales, en productos utilizables o fuentes de energía al lado de procesos biológicos o de agentes, tales como ciertos microorganismos o enzimas. La biogeneración es una alternativa para el tratamiento de residuos sólidos orgánicos. En ella se combinan procesos aeróbicos y anaeróbicos y se obtienen productos como abono agrícola y gas biológico, que puede ser utilizado como combustible y que contiene un 60% de metano y un 40% de dióxido de carbono.

 

¿QUÉ SON LOS BIOCARBURANTES? BIOETANOL Y BIODIÉSEL

Entre los biocarburantes están los siguientes: aceites vegetales biodiésel, biogás (básicamente metano) biometanol, bioetanol, biohidrógeno y otros, como el biometiléter, que es un combustible creado a partir de la biomasa y que podrá ser usado como biocarburante. Obviamente todo combustible que lleve el prefijo "bio-"es de procedencia biológica y, en principio, deseable por la sociedad. También debe precisarse que la terminología puede resultar algo confusa, como en el caso de la denominación biogás, ya que este término podría incluir, en sentido amplio, el biohidrógeno, que es otro gas diferente al metano. El metano es el componente mayoritario del gas natural, un recurso energético muy usado actualmente pero no renovable, ya que forma parte de los combustibles fósiles. El metano debería dejar de usarse al ritmo actual por cuestiones medioambientales, ya que es uno de los gases que más incidencia tiene en el efecto Invernadero.

 

VENTAJAS DE LOS BIOCOMBUSTIBLES

Utilizar la biomasa lignocelulósica no resulta nada fácil. Deben atacarse enzimáticamente las fibras vegetales en el bioreactor para separar la lignina de la celulosa. Se utilizan enzimas fúngicos y bacterianos, lo cual resalta la importancia de los microorganismos.

 

PROBLEMAS DE LOS BIOCOMBUSTIBLES

Menos claro resulta el impacto del etanol por lo que respecta a las emisiones de dióxido de carbono y, por tanto, a su contribución al efecto invernadero, que provoca el calentamiento global del planeta. El equipo del Dr. Daniel.M.Kammen, director del Departamento de Energía Nuclear y del Renewable and Appropriate Energy Laboratory (RAEL) de Berkeley, en un estudio para el Energy and Resources Group de California, llega a la conclusión de que el etanol reduce las emisiones de gases de efecto invernadero en un 18% respecto a la gasolina. En relación con el uso de los granos de maíz en los Estados Unidos, parece que las emisiones de GEH (gases de efecto invernadero) o no se reducen en absoluto o sólo lo hacen mínimamente. La combustión de 1 galón de gasolina, aproximadamente 4 litros , supone la emisión de unos 9 kg . de dióxido de carbono a la atmósfera y aquí se incluyen tanto las emisiones de los motores de los vehículos como las de la refinería de petróleo. Esta combustión es casi la misma cantidad que la quema de 1 galón de etanol, un poco más o menos, según cómo se obtenga el etanol.

 

LOS BIOCOMBUSTIBLES EN ESPAÑA

En el año 2006 se inauguró la planta de biocarburantes de Castilla y León. Esta planta trabaja un 95% con grano de cereal y sólo un 5% con paja, con la problemática que ello supone, ya que una mayor utilización de grano provoca el encarecimiento de los productos alimentarios y produce unas menores producciones de etanol, ya que la planta contiene una mayor cantidad de paja que de grano.

 

Valencia se apunta a la investigación para obtener bioetanol de la corteza y pulpa de los cítricos, ya que cada año produce 4 millones de toneladas de naranjas en unas 190.000 hectáreas y genera 240.000 toneladas de corteza y pulpa en sus 5 fábricas de zumo de naranja. Una futura planta de zumos en Sagunto duplicaría la producción de materia prima para producir etanol.

 

USO DE ORGANISMOS Y MICROORGANISMOS DE DISEÑO PARA PRODUCIR BIOENERGÍA

El uso de seres vivos, sobre todo microorganismos, como agentes muy prometedores en la generación de bioenergía, es un tema de máxima actualidad. Ya lo hemos comentado pero deben añadirse diversas consideraciones.

 

La "creación" de microorganismos "de diseño", con genomas obtenidos por técnicas de ingeniería genética parece cada día más factible. En un estudio reciente se puntúa con factibilidad de 4 sobre 5 la posibilidad de disponer de estos microbios en cuestión de pocos años. El científico Craig Venter lo ve lo suficientemente factible como para poder sustituir la industria petroquímica en unos 10 años.

 

FUTURO I

La preocupación de gobiernos y ciudadanos de algunos países por el posible cambio climático ha provocado un replanteamiento de la inversión en tecnologías más limpias. Muchos frentes de investigación están abiertos y los científicos aportan y están llevando a cabo posibles soluciones diferentes a las actuales para obtener energía.

 

FUTURO II

Nanotecnología en la energía fotovoltaica.

Otra solución pasa por disminuir costes en la energía solar fotovoltaica. Han pasado unos 50 años desde las primeras fotocélulas y la contribución de esta energía sobre el total de la demanda mundial es de un 0,038%. En un futuro no muy lejano las células solares nanotécnicas podrían aumentar el rendimiento y abaratarían costes.