La energía y sus transformaciones by Cuauhtémoc Espino Méndez

LA ENERGÍA Y SUS TRANSFORMACIONES Mire vuestra merced – respondió Sancho – que aquellos que allí se parecen no son gigantes, sino molinos de viento, y lo que en ellos parecen brazos son las aspas, que, volteadas del viento, hacen andar la piedra del molino. Miguel de CERVANTES SAAVEDRA El ingenioso hidalgo don Quijote de La Mancha

l deseo del ser humano de aumentar de forma paulatina su bienestar ha posibilitado la invención de artificios que han ido prolongando su propia fuerza. En un principio, únicamente se trataba de obtener el máximo rendimiento de nuestra energía mediante el uso de utensilios simples. Con el paso del tiempo, el desarrollo de la inteligencia y la observación de la naturaleza dieron lugar a la utilización de energías externas mucho mayores y, por tanto, con mayor capacidad para realizar trabajos. Lo conseguido hasta ahora resulta espectacular, aunque en muchas ocasiones se ha logrado a costa del uso desmedido de los recursos naturales. Hoy en día, la necesidad de alcanzar mayor bienestar continúa existiendo, pero se nos ha planteado un nuevo reto: cuidar el planeta.

1. ¿Qué tipos de energía existen? 2. ¿Qué es una fuente de energía? 3. ¿Qué entendemos por energías limpias y renovables? 4. ¿Cómo llega la electricidad a nuestros hogares?

LA ENERGÍA Y SUS TRANSFORMACIONES 1 Energía y trabajo Seguramente has observado alguna vez la caída al suelo de un vaso de cristal, y lo que sucedía desde el momento del impacto. En efecto, la mayoría de los cristalitos salieron despedidos en todas direcciones girando sobre sí mismos a gran velocidad. Según afirma la teoría del Big Bang, algo similar es posible que ocurriera hace 20.000 millones de años cuando explotó y empezó la expansión del plasma cósmico en el cual estaba comprimida toda a la materia y la energía del universo. La energía es una propiedad asociada a la materia. En física se define como la magnitud que indica la capacidad de un cuerpo para realizar un trabajo.

1.1 Formas de energía La energía que posee un cuerpo es única; sin embargo, esta puede manifestarse en la naturaleza de distingas formas, capaces, a su vez, de transformarse en otro tipo de energía. Algunas de las formas más simples de energía aparecen recogidas en el siguiente cuadro: Formas de energía Energía potencial Energía cinética Energía mecánica Energía sonora Energía eléctrica Energía nuclear Energía luminosa Energía térmica o calorífica

Energía química

Energía interna

Energía electromagnética

ACTIVIDADES 1. Investiga acerca de la vida y obra de Stephen Hawking e intenta explicar sus ideas sobre la creación del unvierso. 2. Identifica las distintas formas de energía presentes en un tren en movimiento, un rayo, un trueno, una chocolatina y agua hirviendo.

Descripción Asociada a la posición (altura) de un cuerpo situado por encima del suelo. Debida al movimiento de los cuerpos. Resultado de la suma de energía potencial y cinética Asociada a las ondas sonoras. Producto de la corriente eléctrica. Contenida en los núcleos de los átomos. Asociada a la luz. Consecuencia del movimiento de las moléculas. Debida a la composición o descomposición de las sustancias. Un caso particular es la energía metabólica, generada en los organismos vivos en las transformaciones químicas que se producen, por ejemplo, durante la digestión y la respiración. Asociada a todas las formas de energía existentes en el interior de un cuerpo. La energía térmica se puede incluir dentro de esta energía, así como la energía de los enlaces entre átomos, etcétera. Debida a la acción de los campos magnéticos producidos por la corriente eléctrica.

Como ves, existen muchas formas de energía, y todos los fenómenos que ocurren en la naturaleza (la formación de las nubes, el viento, la lluvia, la existencia de vida, etc.) son consecuencia del paso de energía de unos cuerpos a otros y de su transformación .

LA ENERGÍA Y SUS TRANSFORMACIONES  Principio de conservación de la energía Sin duda, alguna vez habrás oído frases como “ya no tiene energía” o “se le está acabando la energía”; sin embargo, esto es, desde el punto de vista de la física, incorrecto. Lo que ocurre es, sencillamente, que la forma de energía inicial se ha transformado en otro tipo de energía que ya no podemos usar. Por ejemplo, en los fuegos artificiales, la pólvora contiene energía química que se transforma en energía cinética, potencial, sonora, luminosa y calorífica, manteniéndose constante la energía total. La energía puede transformarse, pero nunca perderse y destruirse.

1.2

Medición de la energía

La energía que posee un cuerpo no se puede medir directamente, pero sí el trabajo realizado con ella; por ejemplo, es posible medir la energía térmica según su capacidad para calentar agua. Por este motivo, las unidades en las que se mide la energía son las mismas que las del trabajo efectuado por ella. En el SI, el trabajo y la energía se miden en julios (J), pero, dependiendo de la forma de energía, también se utilizan otras unidades: Formas de energía Energía eléctrica Energía calorífica Energía nuclear

Unidades Kilovatio por hora (kW·h) Caloría (cal) Electronvoltio (eV)

Muchas veces resulta más interesante conocer la capacidad de un cuerpo para liberar energía rápidamente, mediante el cálculo de la cantidad de trabajo realizado por unidad de tiempo. Esta capacidad recibe el nombre de potencia, y su unidad en el SI es el vatio (W). Por ejemplo, una bombilla de 40W alumbra menos que una de 120 W, ya que esta última es capaz de utilizar el triple de energía en el mismo periodo de tiempo.

ACTIVIDADES 1. Busca información sobre nutrición y contesta estas preguntas: a) ¿En qué unidad se mide la energía proporcionada por los alimentos? b) ¿Qué tipo de sustancias aportan más cantidad de energía, las grasas, las proteínas o los hidratos de carbono? 2.

Calcula en el SI los valores energéticos siguientes: 3 kJ, 100 kcal, 1022 eV, 25·10-6 kW·h. Unidad Kilojulio Kilocaloría Electronvoltio Kilovatio por hora

Símbolo kJ Kcal eV kW·h

Equivalencia en julios 103 J 4,18·103 J 1,602·10-19 J 36·105 J

LA ENERGÍA Y SUS TRANSFORMACIONES 2

Fuentes de energía

En la introducción a la presente unidad has aprendido que la energía, en la actualidad, además de procurar bienestar, es un factor de progreso tecnológico y económico, y que, en definitiva, ha sido la base del desarrollo histórico de la humanidad y lo será también del futuro. Una parte de la energía que posee nuestro planeta se encuentra asociada a la materia (fundamentalmente en forma de energía química y calorífica); otra gran parte proviene del exterior, sobre todo del Sol, cuya luz y calor hacen posible la vida en el planeta y permiten que se lleven a cabo las reacciones químicas necesarias para transformar y acumular energía de muy diversos modos. Para utilizar cualquier forma de energía, tendremos que hallar un fenómeno natural o crear un sistema artificial que reúna estas tres cualidades: • • •

Tiene que ser capaz de almacenar energía. Esa energía ha de poder experimentar una transformación produciendo un trabajo. Es necesario conocer la tecnología adecuada para poder utilizarla.

Esto es, deberemos hallar una fuente de energía. Fuentes de energía más Fuentes de energía más utilizadas en los países en vías utilizadas en los países de desarrollo industrializados Energía mecánica procedente de los seres humanos o de algunos Petróleo animales Energía mecánica procedente de Agua los animales Agua

Gas natural

Madera

Carbón

Fuentes de energía alternativas Eólica (procedente del viento) Solar (proveniente del sol) Biomasa (procedente de la combustión de materia orgánica) Geotérmica (proveniente del calor de las capas internas de la Tierra) Maremotriz (originada por las mareas)

La cantidad de energía disponible de una fuente de energía determinada de denomina recurso energético. La escasez de recursos energéticos (petróleo, carbón y madera) en algunas de las fuentes de energía más utilizadas plantea la necesidad de usar otras fuentes e investigar el modo más rentable de emplearlas.

ACTIVIDADES 3. Investiga el significado de estas palabras según su etimología: a) Eólico. b) Biomasa. c) Geotérmico. d) Maremotriz.

LA ENERGÍA Y SUS TRANSFORMACIONES Clasificación de las fuentes de energía Según el criterio que adoptemos, podemos clasificar las fuentes de energía de varias formas:  Atendiendo a su disponibilidad en la naturaleza y a su capacidad de regeneración Renovables: fuentes de energía abundantes en la naturaleza e inagotables. No renovables: pueden ser abundantes o no en la naturaleza, pero se agotan al utilizarlas y no se renuevan a corto plazo, dado que necesitan millones de años para volver a formarse. Son las más usadas en la actualidad. ➢ Atendiendo a la necesidad de transformarlas o no para su uso Primarias: se obtienen directamente de la naturaleza. Secundarias: son el resultado de transformación de las fuentes primarias.

 Atendiendo a su uso en cada país Convencionales: se trata de las energías más usadas en los países industrializados, responsables, den gran parte, del desarrollo tecnológico, y elemento importante de la economía de estos países. Es convencional, por ejemplo, la energía procedente de los combustibles fósiles. No convencionales: son fuentes alternativas de energía que están empezando su desarrollo tecnológico; por tanto, todavía no inciden mucho en la economía de los países. Pertenecen a este grupo la energía solar y la eólica.  Atendiendo al impacto ambiental Limpias o no contaminantes: son fuentes cuya obtención produce un impacto ambiental mínimo; además, no generan subproductos tóxicos o contaminantes. Contaminantes: se trata de fuentes que producen efectos negativos en el medio ambiente, algunas, por su forma de obtención (minas, construcciones, talas); otras, en el momento de su uso (combustibles en general). Algunas producen subproductos altamente contaminantes, como los residuos nucleares.

LA ENERGÍA Y SUS TRANSFORMACIONES Fuente de energía Hidráulica Geotérmica Nuclear Eólica Solar Petróleo y derivados Carbón Gas natural Biomasa Maremotriz

Capacidad de regeneración Renovables No renovables X X X X X X X X X X

Necesidad de transformación Primarias Secundarias X X X X X X X X X X X

Importancia actual Convencional No convencional X X X X X X X X X X

Impacto ambiental Limpia Contaminante X X X X X X X X X X

Energía eléctrica

La energía eléctrica es la transportada por la corriente eléctrica. Es la forma de energía más utilizada en las sociedades industrializadas. Si miras a tu alrededor, verás multitud de objetos que usan las energía léctrica para su funcionamiento. Esto se debe a estas dos características: •

•

Capacidad para transformarse con facilidad en otras formas de energía (lumínica: bombillas; caloríficas: estufas). Es posible transportarla a largas distancias con bajos costes y rendimiento relativamente alto (no se pierde excesiva energía. Se denominan centros o centrales de generación las instalaciones donde se transforma la energía primaria o secundaria en energía de consumo. Si esta energía de consumo es eléctrica, la central recibe el nombre de central eléctrica. Una vez generada esta energía de consumo debe ser transportada hasta los puntos donde se necesite. Ya en ellos, será distribuida: viviendas, alumbrado de las calles, industrias, etcétera.  Funcionamiento de una central

eléctrica En el apartado 1.1 vimos que existía una forma de energía que era consecuencia de la posición (altura sobre el suelo) y del movimiento (velocidad) de la materia: la energía mecánica. Una central eléctrica utiliza principalmente la energía mecánica que produce una fuente de energía, por ejemplo, la caída del agua, para transformarla, en una máquina denominada generador, en energía eléctrica de consumo. Los generadores están formados por dos piezas: •

El estator: pieza fija compuesta de un núcleo metálico en cuyo interior existen unos hilos de cobre. 6

LA ENERGÍA Y SUS TRANSFORMACIONES •

El rotor: pieza móvil que gira alrededor de un eje. Contiene unos circuitos que, al aplicarles una corriente eléctrica, se transforman en electroimanes1.

Cuando, por efecto de la energía mecánica, el rotor gira, se induce una corriente eléctrica en el estator llamada fuerza electromotriz. Esta proporciona la energía eléctrica apta para su distribución y consumo. 1

electroimán: barra de hierro dulce imantada artificialmente por la acción de una corriente eléctrica.

ACTIVIDADES 4. Averigua cuál es el consumo de energía eléctrica por continentes. A continuación, representa los resultados de tu investigación en un gráfico y haz una valoración por países y en función del grado de desarrollo económico de cada continente. 5. Investiga qué consumos se realizan en tu comunidad en comparación con otras comunidades de España.

3.1 Generación de energía eléctrica Existen diversos tipos de centrales eléctricas, que vienen determinados por la fuente de energía que utilizan para mover el rotor. Estas fuentes pueden ser convencionales (centrales hidráulicas o hidroeléctricas, térmicas y nucleares) y no convencionales (centrales eólicas, solares, maremotrices y de biomasa). Dentro de las energías no convencionales, las energías solar y eólica son las que mayor implantación tienen en la actualidad, pero se está experimentando el uso de otras energías renovables, como la oceánica, además de la utilización de residuos orgánicos como fuente de energía.  Centrales hidráulicas o hidroeléctricas Observa la central hidroeléctrica que aparece en la imagen y fíjate en la altura de la presa. En este tipo de centrales se aprovecha la energía potencial debida a la altura del agua para, haciéndola caer, convertirla en energía cinética. Esta energía moverá los álabes (paletas curvas) de una turbina situada al pie de la presa, cuyo eje está conectado al rotor de un generador, el cual se encarga de transformarla en energía eléctrica.

LA ENERGÍA Y SUS TRANSFORMACIONES

Según el destino del agua, las centrales hidráulicas se dividen en dos tipos: de gravedad o de bombeo. Si el agua utilizada sigue por el cauce de un río y no se va a volver a usar, se trata de una central hidráulica de gravedad.

LA ENERGÍA Y SUS TRANSFORMACIONES Si el agua desciende hasta un embalse situado a menor altura para, con posterioridad, ser bombeada hasta que alcance el embalse superior, con objeto de utilizarla de nuevo, nos encontramos frente a una central hidráulica de bombeo. Este tipo de central se construye en zonas donde existe la posibilidad de que en ciertas épicas del año no llegue suficiente agua al embalse superior y, por tanto, se necesite un aporte del inferior.

 Centrales geotérmicas La energía geotérmica procede del calor presente en las capas más profundas de la Tierra. Este calor puede llegar a la superficie en forma de vapor de agua, gases y agua caliente. La energía geotérmica puede ser aprovechada de dos formas: directa, por ejemplo, agua caliente y calefacción, riego y uso industrial e instalaciones de ocio y salud, como balnearios, aguas termales, etc.; e indirecta, aprovechando el vapor de agua y el calor para producir energía eléctrica.

ACTIVIDADES 6. ¿Qué son los álabes? Busca información sobres sus distintos diseños. 7. Averigua cuáles son las centrales hidroeléctricas más cercanas al lugar en el que vives, dónde se encuentran, de qué tipo son y cuál es su potencia. 8. ¿En qué zonas de España situarías una central geotérmica? 9

LA ENERGÍA Y SUS TRANSFORMACIONES  Centrales térmicas no nucleares En estas centrales, la energía mecánica, necesaria para mover las turbinas que están conectadas al rotor del generador, proviene de la energía térmica (debida al movimiento de moléculas) contenida en el vapor de agua a presión, resultado del calentamiento del agua en su gran caldera. El combustible utilizado para producir vapor de agua determina el tipo de central térmica: de petróleo (fuel), de gas natural o de carbón.

El proceso, en términos generales, es el siguiente: se utiliza uno de los combustibles citados para calentar el agua. A continuación, el vapor de agua producido se bombea a alta presión para que alcance una temperatura de 600ºC. Acto seguido, entra en una turbina a través de un sistema de tuberías, hace girar la turbina y produce energía mecánica, la cal se transforma en energía eléctrica por medio de un generador que está acoplado a la turbina.

LA ENERGÍA Y SUS TRANSFORMACIONES  Centrales nucleares Se trata de centrales térmicas en las que la caldera ha sido sustituida por un reactor nuclear. Este, por reacciones de fisión (rotura) de los núcleos atómicos del combustible nuclear, generalmente uranio enriquecido (isótopo de uranio, 235 y 238), libera el calor necesario para calentar el agua y transformarla en el vapor que moverá las turbinas de un generador.

La ventaja principal de las centrales nucleares es su rentabilidad en la producción de energía; sin embargo, sus inconvenientes primordiales son la gestión y almacenamiento de los residuos radiactivos, así como el riesgo que para la población conllevan los posibles accidentes nucleares. Las potencias producidas por las centrales térmicas convencionales y nucleares varían desde los 80 MW de la central térmica de Escatrón (Zaragoza) hasta los 1.066 MW de la nuclear de Trillo (Guadalajara).

ACTIVIDADES 9. Debatid en clase sobre las ventajas e inconvenientes de las centrales nucleares. ¿Qué opinarías si una de estas centrales estuviera instalada cerca de la zona donde resides? 10. Localiza en un mapa de tu comunidad autónoma las centrales térmicas, de combustión y nucleares. Después, explica en un cuadro las ventajas e inconvenientes de cada 11

LA ENERGÍA Y SUS TRANSFORMACIONES central.  Centrales eólicas En las centrales eólicas o parques eólicos se aprovecha la energía cinética del viento para mover las palas de un rotor situado en lo algo de una torre (aerogenerador).

La potencia total y el rendimiento de la instalación depende de dos factores: la situación del parque (velocidad y cantidad de horas de viento) y el número de aerogeneradores de que se dispone. Los aerogeneradores actuales alcanzan el máximo rendimiento con vientos de unos 45 km/h de velocidad, siendo la velocidad mínima necesaria para comenzar a funcionar de unos 20 km/h, y la máxima, por razones de seguridad, de 100 km/h. Las potencias obtenidas dependen del tamaño de la instalación, aunque son muy frecuentes las centrales que ofrecen entre 20 y 30 MW.

Existe un tipo de centrales eólicas denominadas aisladas. Se trata de instalaciones de reducido tamaño que las pequeñas industrias, estaciones de bombeo en explotaciones agrarias, viviendas, etc., utilizan para su autoconsumo.

ACTIVIDADES 11. Investiga dónde se encuentran los parques eólicos de tu comunidad autónoma e infórmate acerca de sus características. 12. La fuerza del viento se ha usado desde tiempos lejanos. ¿Podrías describir qué aplicaciones se le ha dado? 13. ¿En qué zona geográfica situarías un parque eólico?

LA ENERGÍA Y SUS TRANSFORMACIONES  Centrales solares Las centrales solares son instalaciones en las que se utiliza la energía procedente del Sol. Existen dos clases principales de instalaciones, según el proceso de transformación usado: centrales fototérmicas y centrales fotovoltaicas. •

•

En las centrales fototérmicas, la radiación solar se aprovecha de dos formas: con colectores solares, que absorben las radiaciones solares para producir valor, o con helióstatos, que reflejan la luz solar y la concentran en un punto para su utilización calorífica; en concreto, para calentar el agua de una caldera. En ambos casos, el vapor de agua producido se emplea para mover el rotor de un generador.

En las centrales fotovoltaicas se transforman en energía eléctrica, mediante paneles de células fotovoltaicas, las radiaciones electromagnéticas emitidas por el Sol.

ACTIVIDADES 3. Investiga acerca de las centrales solares de tu comunidad autónoma y describe sus características. 4. Cita cuatro aplicaciones de la energía solar diferentes de las descritas en el texto. 5. ¿Crees que en los satélites artificiales se podría prescindir de los paneles solares y usar otra fuente de energía?

Al igual que ocurre con la energía eólica, también existen centrales aisladas, de muy reducido tamaño, destinadas a la electrificación de viviendas, zonas rurales, equipos de riego y pequeñas instalaciones de iluminación. En muchos casos resulta necesaria la utilización de baterías o acumuladores de energía para poder dar servicio durante la noche. Las aplicaciones de la energía solar son muy variadas: desde la alimentación de pequeñas calculadoras de bolsillo hasta el uso en automoción y astronáutica.

Las instalaciones más usuales destinadas al abastecimiento producen una potencia de entre 20 y 50 kW.

LA ENERGÍA Y SUS TRANSFORMACIONES  Energía oceánica Se llama así a la energía obtenida de los mares oceánicos. Las centrales para esta clase de energía son prácticamente experimentales, ya que, en la actualidad, sus costes son muy altos y sus rendimientos muy bajos. Del mar se pretende aprovechar tres tipos de energía: • • •

 

La energía mecánica de las mareas (energía maremotriz). La energía mecánica del oleaje. El gradiente térmico (diferencia de temperaturas) existente entre la superficie y las zonas más profundas.

Utilización de la biomasa como fuente de energía

Cuando enciendes una hoguera o preparas una barbacoa, estás empleando biomasa (leña o carbón vegetal) como fuente de energía para producir calor mediante su combustión. La biomasa está constituida por todos los compuestos orgánicos producidos por procesos naturales. La energía de la biomasa se puede obtener a partir de vegetación natural, residuos forestales y agrícolas (restos de poda, paja, rastrojos) o cultivos específicos, como el girasol y la remolacha (cultivos energéticos). La central de biomasa quema este tipo de combustible para producir vapor de agua, el cual mueve una turbina que, conectada a un generador, produce electricidad.

LA ENERGÍA Y SUS TRANSFORMACIONES 4

Impacto ambiental

4.1 Evaluación del impacto ambiental La construcción y funcionamiento de una central eléctrica implica obligatoriamente un cambio ecológico en la zona, debido tanto a la construcción de las infraestructuras necesarias (edificios, comunicaciones…) como a los residuos que su actividad genera. En todo diseño de un proyecto técnico es obligatorio efectuar una evaluación del impacto ambiental, es decir, un estudio de los cambios que se producirían en el medio natural como consecuencia de su realización. Este estudio se valora, junto con otro sobre las repercusiones económicas y sociales del proyecto sobre la zona, y se decide si se va o no a ejecutar el plan. A continuación, te mostramos en el cuadro, a modo de estudio comparativo, las características principales de cada tipo de central, y el impacto que producen en el medio. Tipo de energía consumida

Tipo de central

Impacto ambiental

Inconvenientes y riesgos

Hidroeléctrica

Alteración grave del medio natural, debida a construcciones, desvíos de agua, inundaciones de tierras. Muchas veces, en épocas de sequía, no se respeta el caudal ecológico.

Térmica

Contaminación atmosférica causada por la emisión de gases procedentes de la combustión. Contaminación del agua originada por el uso de esta como refrigerante.

No renovable.

Nuclear

Peligro de contaminación por radicación. Residuos no reciclables.

No renovable.

Eólica

Impacto visual y sonoro. No contaminante.

Renovable.

Solar

Repercusión en los ecosistemas como consecuencia de la necesidad de ocupar superficies grandes. No contaminante.

Renovable.

Oceánica

Alteración del medio debida a las construcciones que requiere.

Renovable.

Altos costes y bajos rendimientos.

Biomasa

Beneficiosa si se usa correctamente.

Renovable.

Problema: explotación excesiva de los recursos naturales.

Riesgo de catástrofe por rotura de presas y desbordamiento. Peligro de desaparición de la flora y fauna autóctonas.

Renovable.

Enfermedades respiratorias. Alto nivel de ruido. Efecto invernadero. Impacto negativo en el ecosistema. Peligro de catástrofe nuclear. Residuos radiactivos. Bajos rendimientos. Discontinua y aleatoria. Riesgo de accidentes en caso de fuertes vientos. Bajos rendimientos. Altos costes. Discontinua y aleatoria. Riesgo de quemaduras y ceguera.

Ventajas

Gran potencia y rendimiento.

Gran potencia y rendimiento. Reduce la dependencia de otros combustibles. Limpia. Posibilidad de autoconsumo. Reduce la dependencia de otros combustibles. Limpia. Posibilidad de autoconsumo. Reduce la dependencia de otros combustibles. Limpia. Silenciosa. Reduce la dependencia de otros combustibles. Reutilización de residuos forestales y domésticos.

ACTIVIDADES 14. Busca información sobre las catástrofes ocurridas en España en embalses y en centrales nucleares. Después, haz una valoración de estas desde el punto de vista ecológico. 15. ¿Qué se entiende por efecto invernadero y lluvia ácida? ¿Qué relación tienen estos fenómenos con la actividad energética?

LA ENERGÍA Y SUS TRANSFORMACIONES 4.2 El problema de los residuos Desgraciadamente, en la actualidad no existen tecnologías que presenten una solución óptima a la mayoría de los problemas que generan los residuos contaminantes. Así, además de los gases contaminantes que emiten a la atmósfera, las centrales térmicas utilizan para refrigerar sus instalaciones agua fría que luego se devuelve caliente al medio. La elevación de temperatura reduce la cantidad de oxígeno que contiene el agua, lo que puede afectar a la vida animal y vegetal del entorno. Las centrales nucleares tienen el mismo problema que las térmicas respecto al agua de refrigeración, pero, además, algunos de los residuos que se producen en ellas son altamente peligrosos durante miles de años, y actualmente no se sabe dónde almacenarlos de un modo seguro. Por otro lado, en ocasiones, la solución que se proporciona para eliminar un residuo o un agente contaminante consiste en sustituir un agente contaminante por otro, que en principio, parece menos dañino. Esto ocurre, por ejemplo, con los detergentes que se utilizan para limpiar las mareas negras ocasionadas por los vertidos petrolíferos. En consecuencia, hoy por hoy, además de la utilización de energías limpias, debemos centrarnos en dos aspectos: educación ecológica, para evitar el derroche de energía, y apoyo a la investigación, tanto en la búsqueda de nuevas fuentes limpias como en la mejora de las ya existentes.

4.3 Rentabilidad de las energías no convencionales Si efectuamos un estudio estrictamente económico de la relación que existe entre gastos de explotación y capacidad energética de las nuevas energías, es muy probable que, exceptuando las instalaciones de autoconsumo, la rentabilidad sea muy inferior a la que proporcionan las energías convencionales. Ahora bien, si en nuestro estudio consideramos otros factores, las diferencias de rentabilidad no aparecen tan claras. Los factores que se deben tener en cuenta son los siguientes: • ACTIVIDADES 6. Valora las siguientes opciones para el destino de • los residuos radiactivos: enterramiento, confinamiento en superficie, depósito en fosas marinas o envío al espacio exterior.

Costes sociales debidos a enfermedades, que son soportados por la sanidad de los gobiernos, compañías de seguros particulares. Costes de prevención de riesgos laborales: son gastos obligatorios en muchos casos (minería, personal de las centrales nucleares…). • Costes de seguridad: refuerzos en estructuras, sistemas de control, medios de transporte de residuos, sistemas de vigilancia, etcétera. • Costes ecológicos y medioambientales: extinción de especies, contaminación… Resultan incalculables económicamente. • Costes futuros: considerando la escasez de recursos convencionales que habrá en el futuro, parece lógico pensar que la consecuencia será el aumento de precio de éstos. 16

LA ENERGÍA Y SUS TRANSFORMACIONES 5 Transporte y distribución de la energía eléctrica Seguramente te habrás dado cuenta de que los lugares donde se ubican las centrales eléctricas suelen estar, en muchos casos, lejos de los puntos de consumo final. Unas veces, por razones de seguridad (como ocurre en las centrales nucleares); otras, por necesidades de espacio (centrales solares); y otras, por motivos físicos y orográficos (centrales hidráulicas, parque eólicos y centrales maremotrices).

La energía eléctrica no se puede almacenar; por tanto hay que transportarla desde donde se produce (central hidroeléctrica, eólica, etc.) hasta donde se consume: industria y núcleos urbanos. El transporte de la energía eléctrica implica tres procesos: •

Elevación del voltaje: debido a las grandes distancias que la electricidad ha de recorrer, y con objeto de que no existan pérdidas de energía significativas (por calor), e voltaje de salida de la central se eleva mediante transformadores a unos valores muy altos, que pueden variar entre 200.000 y 400.000 voltios. • Diseño y construcción de la ruta de cables de alta tensión: por medio de torretas que sostienen los cables. • Reducción del voltaje: se instalan subestaciones1 de transformación entre la línea de alta tensión y el consumidor final. Estas, mediante transformadores, reducen el voltaje a unos 5.000 V. • A partir de aquí comienza la fase de distribución a los hogares, oficinas, industrias e instalaciones públicas (alumbrado, semáforos, etc.) por medio de postes o bien a través de canalizaciones subterráneas. En esta etapa, el voltaje se reduce hasta alcanzar valores situados entre 120 y 380 voltios, dependiendo de su destino final; además, la electricidad, antes de llegar al aparato que la va a utilizar, pasa por una especie de instalaciones intermedias: contadores, instalaciones de seguridad, caja de derivación, cuadros de mando y protección, etcétera.

ACTIVIDADES 16. ¿Qué propiedades fundamentales crees que deben tener los conductores utilizados en una línea aérea de transporte de energía eléctrica? Razona tu respuesta.

LA ENERGÍA Y SUS TRANSFORMACIONES 1

subestación eléctrica: es una pequeña instalación donde se ubican transformadores cuya función es aumentar o reducir el voltaje de la línea.

LA ENERGÍA Y SUS TRANSFORMACIONES

Algo de historia... Es obvio que el primer tipo de energía que el ser humano utilizó fue la que provenía de su propia fuerza. Con ella lograba alimentarse y sobrevivir ante una naturaleza en esos momentos más poderosa que él. Su capacidad de progreso le diferenció enseguida del resto de los animales, debido a la utilización de los materiales que la naturaleza le proporcionaba para prolongar y aumentar su propia fuerza. El uso de cuchillos y lanzas, el dominio del fuego y la aparición de la agricultura, como consecuencia de la observación de los procesos biológicos, permitieron el asentamiento de poblaciones en una misma zona y el abandono de la trashumancia. La necesidad de un mayor rendimiento productivo llevó a la invención de técnicas de sembrado laboreo. A su vez, la necesidad de más cantidad de energía condujo a la utilización de la energía animal en la agricultura y el transporte de mercancías. El siguiente paso fue el empleo de la madera como combustible y la utilización de la energía calorífica generada para el tratamiento de los metales, la industria de guerra y la fabricación de utensilios de uso común. El gran salto en el rendimiento energético se produjo con la Revolución industrial y la aparición de la máquina de vapor, la cual permitía el impulso de grandes pesos, con el consiguiente desarrollo de las comunicaciones terrestres y marítimas. La energía térmica necesaria para calentar el agua provenía de dos fuentes: la madera y el carbón. Por último, el descubrimiento de la electricidad y la aparición de los motores de combustión interna dieron lugar a un último impulso en el uso de la energía. Se revolucionaron los sistemas de transporte y comunicaciones, se consiguió explorar el espacio exterior y se alcanzó una cota de bienestar para gran parte de la humanidad nunca antes imaginaba. En la época actual se vive un replanteamiento de las tecnologías energéticas, debido a que la utilización de combustibles químicos contaminantes ha producido la degradación de los ecosistemas del planeta. La búsqueda de nuevas fuentes no contaminantes y la mejora de las tecnologías existentes, con el fin de poder mantener y aumentar el bienestar de las generaciones futuras, constituyen, en la actualidad un reto en este ámbito.

Sabías que 



Fueron los romanos los que sacaron partido al descubrimiento de Arquímedes de las leyes de la palanca (siglo III a.C.): explotación de pozos profundos, molinos de agua… En Inglaterra, en el siglo XI, funcionaba alrededor de un molino cada 50 viviendas. Pero en otras regiones, donde el agua se helaba en invierno o había sequía en épocas estivales su uso estaba limitado. Ingenio aéreo por energía solar. La tecnología busca en la energía solar la alternativa a los combustibles fósiles.

LA ENERGÍA Y SUS TRANSFORMACIONES TÉCNICAS DE TRABAJO

Diseña y construye una mesa de germinación Una mesa de germinación consta de un cajón de

Diseño del circuito de agua

plástico o de metal que contiene en su interior un circuito para calentar agua.

El diseño del circuito del agua puede ser parecido al que te mostramos en la imagen:

En esta fotografía puedes ver una mesa de germinación de semillas utilizada para el cultivo en invernadero.

Podemos construir una mesa de germinación barata y ecológica utilizando una caja de cartón bien impermeabilizada (con papel de aluminio, por ejemplo). El cajón se rellena de tierra sobre la que se diseminan las semillas (o se plantan pequeños esquejes). Debido al calor, la germinación y el enraizamiento se producen rápidamente.



Las dimensiones de la mesa, así como la elección de los materiales, los dejamos a tu criterio.



No obstante, te proponemos un diseño básico que podrás mejorar como creas conveniente.

El agua llega al colector desde la mesa entrando por la parte superior de la botella A, debido a la acción de una pequeña bomba. El agua caliente sal del colector (desde la parte baja de la botella C) por acción de la gravedad, llega hasta la mesa y completa el circuito.

Para conseguir que la central sea autónoma, puedes mejorar el diseño añadiendo una célula fotovoltaica cuya función sea alimentar a la bomba.

Mesa de germinación con los tubos coocados en forma sinusoidal.

Para calentar el agua, necesitarás diseñar y construir una pequeña central solar térmica utilizando un colector solar que puedes construir del siguiente modo:

ACTIVIDADES 1. Diseña dos mesas de germinación, una de ellas sin sistema de calentamiento, y calcula la eficacia de su diseño calculando lo siguiente:  Número de días necesarios para que comience la germinación. 20

LA ENERGÍA Y SUS TRANSFORMACIONES 

Cantidad de semillas germinadas.



Crecimiento de la planta por semana.

Construye una minicentral eólica Objetivo

Procedimiento

Observar la transformación de energía eólica en energía eléctrica.

1. Diseña tres aspas de plástico. 2. Ajusta la polea grande al eje de las aspas y únela con una goma al eje del motor (recuerda poner un tope para que no se salga). Luego, fija este al soporte de madera.

Materiales       

Motorcillo de corriente continua. Aspas de plástico y láminas de porexpán. Polea y goma elástica. Cables conductores. Ventilador. Soportes de madera. Bombilla de 3 V o diodos tipo LED.

3. Une los bornes del motor a los de la bombilla. Coloca el ventilador frente a las aspas y responde a las preguntas de las actividades.

ACTIVIDADES 2. Acciona el ventilador. ¿Qué ocurre? 3. Si colocas un interruptor en el circuito y lo mantienes abierto mientras el

ventilador está funcionando, ¿se enciende la bombilla? 4. Investiga con distintos tipos de bombillas y tamaños de polea hasta que

consigas una solución adecuada. (Dato: si utilizas LED prueba cambiándoles la posición pues tienen polaridad). 5. ¿Qué conclusiones sacas del experimento realizado? 6. ¿Para qué sirve la polea grande unida al eje de las aspas? 21

LA ENERGÍA Y SUS TRANSFORMACIONES IDEAS CLARAS Conceptos relacionados con la energía

   

La energía es una propiedad asociada a la materia. No se puede medir directamente, pero sí la cantidad de trabajo que es capaz de desarrollar. La energía, ni se crea ni se destruye, solo se transforma. La energía y el trabajo en el SI se mide en julios, pero dependiendo de la forma de energía se utilizan otras unidades: kW·h, cal, eV. La potencia es la cantidad de trabajo realizado por unidad de tiempo. Se mide en vatios (W).

Fuentes de energía 

Para utilizar un fenómeno natural o crear un sistema artificial como fuente de energía, este debe reunir tres condiciones: tiene que ser capaz de almacenar energía, se debe poder transformar en trabajo y ha de contar con la tecnología necesaria para utilizarla.

Recurso energético

Se denomina recurso energético la cantidad de energía disponible de una fuente de energía determinada. El agotamiento de los recursos energéticos y los residuos generados por las fuentes de energías empleadas hasta el momento hacen necesaria la investigación de nuevas fuentes renovables y limpias.

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Clasificación de las fuentes de energía

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Energía eléctrica

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Centrales eléctricas

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Impacto ambiental

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Atendiendo a su capacidad de regeneración, se clasifican en renovables y no renovables. Según la necesidad de transformación para su uso pueden ser primarias o secundarias. Si tenemos en cuenta el tipo de energía que se utiliza mayoritariamente en cada país, podemos denominarlas convencional y no convencional. Según el impacto ambiental, se clasifican en limpias o contaminantes. Las energías no convencionales se encuentran todavía en fase de investigación y desarrollo. La energía eléctrica es la energía transportada por la corriente eléctrica. La energía eléctrica tiene la capacidad para transformarse con facilidad en otras formas de energía y, así mismo, puede ser transportada a largas distancias. La energía eléctrica generada en las centrales se eleva a grandes voltajes para poder transportarla sin experimentar grandes pérdidas de energía. En una central eléctrica se transforma la energía primaria o secundaria en energía eléctrica. Todas las centrales eléctricas (excepto fotovoltaicas) utilizan generadores eléctricos. Las diferencias entre ellas se basan en la fuente de energía que usan para mover/hacer funcionar el rotor. Ei se utilizan fuentes de energías convencionales, las centrales eléctricas pueden ser hidráulicas, térmicas y nucleares. Si la fuente de energía es no convencional, las centrales eléctricas pueden ser eólicas, solares, maremotrices y de biomasa. La evaluación del impacto ambiental de un proyecto consiste en un estudio de los cambios que produciría en el medio natural su puesta en funcionamiento. Además se deben considerar las repercusiones económicas y sociales del proyecto en la zona. El reciclado de los residuos energéticos es difícil y lento. En el caso de los residuos nucleares, incluso, todavía no se conoce la forma de hacerlo.

LA ENERGÍA Y SUS TRANSFORMACIONES

Actividades 1. ¿Qué es mayor, la energía necesaria para elevar

8. Diseña un modelo de encuesta relacionada con los

un objeto a una cierta altura o la energía potencial que ha acumulado? ¿Por qué? ¿Qué relación ves con la central hidroeléctrica del bombeo?

puntos que se desarrollan a continuación. Después, entrevista a veinticinco personas de la calle. Luego, analiza los resultados y comenta en clase con tus compañeros las conclusiones que has obtenido.  Conocimientos sobre los diversos tipos de energía.  Métodos de utilización del ahorro de energía.  Si se realiza separación de basuras.  Opinión acerca de la instalación de una central nuclear o de un almacén para residuos radiactivos en la zona.

2. Valora y discute con tus compañeros sobre la clasificación de las energías procedentes de la biomasa y del mar como recursos renovables.

3. Nombra las fuentes de energía que aparecen en este dibujo.

9. ¿Cuáles son, según tu punto de vista, las ventajas e inconvenientes que conlleva la construcción de muchas minicentrales hidráulicas, en lugar de pocas pero grandes?

10. Indica dos ventajas y dos inconveniente de la energía nuclear. Explica tus respuestas.

11. Busca en esta sopa de letras seis tipos de centrales eléctricas:

4. Indica cuál de estas afirmaciones es verdadera y

O M J T E R M A

cuál falas. Razona cada respuesta:  La energía es única.  Una central hidroeléctrica es un tipo de central térmica.  La energía se expresa de forma única.  Las fuentes de energía, según su uso en los países industrializados, se clasifican en renovables y no renovables.  La energía eléctrica es un tipo de energía renovable.  La energía nuclear es un tipo de energía convencional.

K A Y E O A I C

Ñ R R Ñ L H L I

T E R M I C A A

U M J A C S F T

R O S C A D N L

M T G M P I U O

O R O Z Ñ L C V

C I O B L L L O

B Z B C C A E T

X A U D Ñ S A O

H N E C L A R F

12. Averigua dónde se encuentra la subestación más cercana a tu centro de estudios. Comprueba sus dimensiones y la idoneidad de su situación. Busca más datos (procedencia de la electricidad, transformación de voltajes, etc.) acerca de la subestación en la compañía a la cual pertenece o en tu Ayuntamiento.

5. Busca información sobre los diferentes tipos de energía en páginas web de empresas públicas y privadas que trabajen en este ámbito. Después de leer todos los datos que te ofrecen, qué conclusiones obtienes. Contrasta esta información con la que ponen a tu disposición colectivos ecologistas.

13. ¿Cómo puedes ahorrar energía en tu casa? ¿Y en tu centro de estudios? Organiza junto con tus compañeros un debate y propón las mejoras que consideres necesarias.

6. Analiza los distintos esquemas de las centrales de

14. Haz una evaluación del impacto ambiental del

producción de energía eléctrica y describe en qué se asemejan y en qué se diferencian.

proyecto tecnológico que estás realizando en estos momentos.

7. ¿Qué relación existe entre el desarrollo tecnológico y el consumo de energía?

LA ENERGÍA Y SUS TRANSFORMACIONES 15. Investiga acerca de los superconductores. Explica qué efectos tendrían sobre el transporte de la energía eléctrica.