Fuentes de Energía: Tipos, Generación y Sostenibilidad

Energías Convencionales

Centrales Térmicas

Una turbina/máquina de vapor funciona quemando combustible externamente para calentar agua. El vapor de agua resultante mueve un émbolo o álabes, que a su vez, en las centrales eléctricas, mueven alternadores para generar electricidad.

Las centrales térmicas tradicionales utilizan carbón y petróleo para calentar agua. Sin embargo, presentan varios inconvenientes:

• Solo el 30% de la energía se aprovecha, el 70% se pierde en calor.
• Utilizan combustibles fósiles no renovables.
• Desprenden CO2 y otros contaminantes a la atmósfera.

Centrales Térmicas de Gas Natural

Existen diferentes configuraciones para las centrales térmicas de gas natural:

• Convencionales: Operan con una caldera y turbina de vapor, alcanzando un rendimiento del 33%.
• Cogeneración termoeléctrica: Producen electricidad y calor simultáneamente, con un rendimiento eléctrico del 40% y térmico del 55%.
• Ciclo combinado: Combinan una turbina de gas y una de vapor, logrando un rendimiento superior del 57%.

Centrales Nucleares

En las centrales nucleares, el calor se libera mediante la fisión del uranio-235 (U-235) dentro de un reactor nuclear.

• Ventajas: No emiten CO2 y producen una gran cantidad de energía.
• Inconvenientes: Generan residuos radiactivos con una vida media extremadamente larga (24.400 años para algunos isótopos); existe el riesgo de escapes contaminantes y perjudiciales.

Centrales Hidroeléctricas

Las centrales hidroeléctricas transforman la energía potencial del agua en electricidad. Su infraestructura incluye una presa, un canal de derivación y una central eléctrica donde la turbina gira. Requieren máxima seguridad para resistir riadas y seísmos. Las pequeñas centrales aprovechan los saltos naturales del agua. Es una fuente de energía renovable y no contaminante.

Grandes Centrales Hidroeléctricas

• Ventajas: Regulan el cauce de los ríos, facilitan el riego agrícola y el consumo humano, producen una elevada cantidad de electricidad y los costes económicos suelen estar amortizados.
• Inconvenientes: Generan un impacto ambiental significativo, requieren el desplazamiento de poblaciones y su construcción es costosa.

Pequeñas Centrales Hidroeléctricas

• Ventajas: Bajo impacto ambiental y construcción menos costosa.
• Inconvenientes: Rendimiento menor, solo viables en ríos con un caudal constante durante todo el año.

Nuevas Necesidades Energéticas y Transición

Actualmente, el 85% de la energía mundial proviene de combustibles fósiles, con un consumo global que aumenta entre un 2% y un 6% anualmente. El incremento del precio de los combustibles fósiles, los problemas medioambientales y de seguridad de la energía nuclear, y la limitación geográfica de la energía hidráulica, hacen imperativa la necesidad de sustituir los combustibles fósiles por fuentes de energía sin emisiones de CO2.

Energías Renovables

Biocombustibles

Los biocombustibles son combustibles de origen biológico no fosilizado.

• Bioetanol: Se obtiene por fermentación de azúcar o almidón, alcanzando un grado alcohólico del 15%, seguido de destilación. Puede usarse como combustible único o mezclado con gasolina: al 5% (E5), o en una proporción de 85% etanol + 15% gasolina (E85).
• Biodiésel: Se produce a partir de aceites vegetales, residuos de aceites fritos o de industrias alimenticias, y posee características similares al gasóleo.
• Biogás: Compuesto por aproximadamente un 70% de metano.

Ventajas de los biocombustibles: Son renovables, no incrementan el CO2 atmosférico y pueden utilizar la misma red de distribución que los combustibles fósiles.

Inconvenientes: Elevado coste, requieren grandes espacios de cultivo, lo que puede encarecer los alimentos y provocar hambrunas.

Energía Solar

Existen dos tipos principales de energía solar: térmica (para calentar agua o generar electricidad indirectamente) y fotovoltaica (con un rendimiento del 5-16% para la conversión directa en electricidad).

• Ventajas de la fotovoltaica: Es limpia y no genera residuos, electrifica zonas aisladas y es renovable.
• Inconvenientes: Impacto visual negativo, precio elevado e intermitencia (dependencia de la luz solar).

Energía Eólica

La energía eólica requiere una elevada altura para la instalación de aerogeneradores. La velocidad mínima del viento para su operación es de 10 km/h, y la máxima de 80 km/h. Sus componentes incluyen: soporte, rotor (eje de giro, palas y buje), sistema de orientación, sistema de regulación y sistema de generación.

• Ventajas: No contamina, no genera residuos, es renovable y disminuye la dependencia del petróleo.
• Inconvenientes: Impacto visual y sobre las aves, bajo rendimiento, intermitente y aleatoria, y contaminación acústica.

Energía Mareomotriz

La energía mareomotriz aprovecha la energía de las mareas mediante centrales mareomotrices.

Energía Geotérmica

La energía geotérmica se basa en el calor interno de la Tierra. La temperatura del subsuelo aumenta aproximadamente 3ºC cada 100 metros de profundidad. Se clasifica en:

• Baja temperatura (20-60ºC)
• Media temperatura (60-150ºC)
• Alta temperatura (150-400ºC)

Tecnologías Energéticas Avanzadas

Pila de Combustible

La pila de combustible se basa en la reacción electroquímica entre hidrógeno (H) y oxígeno (O). Se aprovecha la energía química y se convierte directamente en energía eléctrica, produciendo vapor de agua como subproducto. El hidrógeno no se encuentra libre en la naturaleza y su obtención requiere un gasto energético.

Evaluación de Impacto Ambiental

Se realiza un ecopunto para evaluar el impacto ambiental por billón de Julios (J) de energía producida. Por ejemplo, el petróleo tiene un impacto de 1398, mientras que la minihidráulica es de 50, lo que indica una menor huella ambiental.

Materiales Poliméricos: Estructura, Aplicaciones y Sostenibilidad

Clasificación y Propiedades

Los polímeros se clasifican en naturales o sintéticos; y según sus propiedades en elastómeros, plásticos, fibras, recubrimientos o adhesivos; o según su comportamiento térmico en termoplásticos o termoestables. En 1839, Charles Goodyear descubrió el vulcanizado del caucho, un hito importante en la ciencia de los polímeros.

Su estructura puede ser lineal, ramificada, entrecruzada o reticulada. Poseen una elevada relación resistencia mecánica/densidad, son aislantes y presentan resistencia a productos químicos y disolventes.

Aplicaciones Comunes

Algunas aplicaciones comunes de los polímeros incluyen:

• Poliestireno
• Poliestireno expandido (EPS) (compuesto por 95% poliestireno + 5% gas)
• Polietileno
• Nailon
• Polietilentereftalato (PET)
• Policloruro de vinilo (PVC)

Impacto Ambiental y Gestión de Residuos

Las repercusiones medioambientales de los polímeros abarcan todo su ciclo de vida: extracción de materias primas, fabricación y transformación, distribución y transporte, uso, reutilización y reciclado, y gestión de residuos. Aproximadamente el 4% del petróleo se destina a la producción de plásticos, y su reciclaje reduce la cantidad de materia prima virgen necesaria.

Reciclado de Polímeros

• Mecánico: Implica la separación de materiales termoplásticos, eliminación de contaminantes, trituración y fabricación de nuevos objetos.
• Químico: Consiste en romper las moléculas de los polímeros para obtener monómeros o compuestos intermedios que pueden usarse para sintetizar nuevos polímeros.

Incineración

La incineración de polímeros puede ser una fuente de energía; por ejemplo, 1 kg de polietileno equivale energéticamente a 1 kg de gas natural. Sin embargo, la incineración de ciertos plásticos, como el PVC, puede emitir cloro, que es muy tóxico.

Conceptos Clave y Acuerdos Ambientales

Nanociencia y Nanotecnología

Un nanómetro (nm) equivale a 10^-9 metros.

• Nanociencia: Es el estudio científico de fenómenos y materiales a nivel nanométrico.
• Nanotecnología: Se dedica al control y manipulación de la materia a nivel atómico y molecular.

Richard Feynman, Premio Nobel de Física en 1965, es considerado el padre de la nanociencia. La Unión Europea representa el 30% de la investigación y desarrollo en nanotecnología.

Acuerdos y Conceptos Ambientales Relevantes

• PAN (Nitrato de Peroxiacetilo): Es un contaminante secundario del aire, formado por reacciones fotoquímicas.
• Protocolo de Montreal: Acuerdo internacional firmado en 1987 para reducir la producción y el consumo de sustancias que agotan la capa de ozono (como los clorofluorocarbonos, CFC).
• Cumbre de la Tierra (Río de Janeiro, 1992): Conferencia de las Naciones Unidas sobre el Medio Ambiente y el Desarrollo, evento clave que promovió el concepto de desarrollo sostenible.
• Protocolo de Kioto (1997): Acuerdo internacional que establece objetivos vinculantes de reducción de emisiones de gases de efecto invernadero para los países industrializados.
• Conferencia de las Partes (COP) en Bali (2007): Negociaciones importantes sobre el cambio climático post-Kioto, buscando un nuevo marco de acción.