20 de junio de 2013

Los vectores energéticos

"Todos somos muy ignorantes. Lo que ocurre es que no todos ignoramos las mismas cosas" Albert Einstein

En el lenguaje cotidiano, energía es un concepto ambiguo con diversas acepciones. En Física, energía es una magnitud que asociamos con la capacidad que tienen los cuerpos para realizar un trabajo. Desde el punto de vista social y económico, se define energía como el recurso natural necesario en la producción de bienes y servicios fundamentales para el desarrollo.

En ocasiones, estos diferentes sentidos del término energía y sus derivados causan confusiones, como por ejemplo mezclar conceptos entre una fuente de energía primaria y una fuente de energía secundaria.

La ley de la conservación de la energía, fundamento del primer principio de la Termodinámica, nos afirma que en un sistema físico aislado no podemos crear una nueva energía, pero podemos realizar transformaciones de la ya existente en el sistema. La energía primaria es aquella que se encuentra disponible en la naturaleza antes de ser transformada. 

Las fuentes primarias derivan de la energía contenida en el sol, el calor de la tierra, el viento, el agua (ríos, lagos, mareas y océanos), los combustibles fósiles (carbón, petróleo y gas natural), la biomasa, y los minerales radiactivos como el uranio. Algunas otras formas naturales de energía, como el campo magnético de la tierra, el rayo y el sonido, no son fuentes útiles para realizar trabajo.

Archivo: OTEP 2010 estimate.jpg

Para la obtención de la energía primaria es necesario emplear energía. Consideramos a un recurso primario explotable siempre que la energía útil que nos ofrezca sea superior a la energía que invertimos en conseguirla. Pero la mayoría de las principales fuentes primarias no son utilizables directamente en el sistema. Para serlo deben ser transformadas. El resultado de esta conversión es otra fuente que denominamos portador o vector energético.

Los vectores energéticos son los productos resultantes de las transformaciones o elaboraciones de recursos energéticos naturales. El único origen posible de toda energía secundaria es un centro de transformación, y el único destino posible un centro de consumo.

Las principales vectores energéticos son los combustibles derivados del petróleo (gasolina, gasoil, queroseno), del gas natural (comprimido o licuado), de las rocas sedimentarias de carbón, de la biomasa, de los residuos, y la electricidad obtenida por transformación de diversas fuentes primarias como los combustibles fósiles, la energía nuclear, hidráulica, eólica, solar, etc. En todos los casos son necesarios procesos que tienen un gran consumo de energía primaria y emisiones de gases. En un diagrama de flujos energéticos como el diagrama de Sankey, se puede observar las pérdidas o dispersiones por transferencia que tiene un determinado flujo de energía primaria en sus distintos procesos hasta convertirse en energía útil para la sociedad.

Diagrama Sankey flujos de energía. Fuente: sankey-diagrams.com

Los combustibles fósiles son los recursos energéticos básicos en la economía mundial con aproximadamente un 80% de la energía primaria consumida. Se utilizan prácticamente en todos los sectores económicos, pero destacan en dos usos específicos. Los derivados del petróleo se emplean de forma masiva y casi exclusiva en los diferentes sistemas de transporte, carretera, aviación, navegación marítima y en menor proporción en el ferrocarril. También son de gran importancia en todo lo concerniente a nuestra alimentación, en la maquinaria agrícola, fertilizantes, pesticidas, etc. Mientras que los derivados del carbón y últimamente de forma creciente el gas natural, son algunas de las bases principales de la generación eléctrica.

En los procesos de transformación de la energía primaria fósil a energía útil se ha de destacar la mejora en la eficiencia energética que proporcionan los avances tecnológicos en máquinas térmicas. No obstante, las cadenas de conversión son complejas. Por ejemplo, desde la energía que proporciona una reacción de combustión procedente de la energía química del combustible, hasta un uso final como podría ser la energía mecánica que eleva una polea eléctrica, existen intercambios como la energía termodinámica del vapor de agua obtenida por la combustión del combustible fósil, que a su vez se transforma en energía mecánica en el movimiento de un generador que produce la electricidad que alimenta la polea. En cada paso de elaboración hasta el consumo final existen pérdidas de energía que reducen el rendimiento final. Las máquinas que transforman energía térmica en mecánica, como los motores de combustión interna, tienen rendimientos bajos. Por contra, las transformaciones entre energía mecánica y energía eléctrica, como generadores o motores eléctricos, suelen tener rendimientos elevados. Sin embargo la elevada densidad energética, en particular de los derivados del petróleo, así como la posibilidad de almacenar y transportar energía, hace que estos vectores sean de difícil sustitución, sobre todo en los sistemas de transporte y alimentación.

La electricidad es un portador de energía básico en hogares, industria y telecomunicaciones. Debe ser transformada en otras formas de energía para que se pueda realizar un trabajo útil. Se puede convertir en movimiento, en calor o frío, en luz y en energía química. También se emplea para amplificar y procesar señales portadoras de información, en la rama de la electricidad aplicada que llamamos electrónica. A diferencia de los derivados de combustibles fósiles, la energía eléctrica prácticamente no es acumulable. Se tiene que consumir en el momento que se genera, por eso uno de los problemas de gestión de una red eléctrica es coordinar la variaciones de demanda con los distintos sistemas de generación.

La electricidad se puede producir a partir de energías renovables como eólica, solar, hidroeléctrica, biomasa y geotérmica, también mediante energía nuclear, aunque la mayoría es por medio de la combustión de combustibles fósiles. Aunque una vez generada la energía eléctrica es muy versátil y puede ser transformada a otras energías con rendimientos elevados, se ha de tener en cuenta que alrededor del 80% de la producción de electricidad mundial se obtiene de energía térmica (turbinas de vapor), por lo que debido a los ciclos termodinámicos y añadiendo las pérdidas durante la distribución, el rendimiento medio se sitúa en aproximadamente un 31%, lo que quiere decir que por cada Watt eléctrico producido se consumen 3 Watt térmicos (relación de equivalencia 1 We = 3 Wt).

En resumen, el uso de la energía eléctrica es muy eficiente como vector energético y se considera una energía de alta calidad, pero se pierde aproximadamente un 65% de la energía primaria utilizada para su generación, fundamentalmente en forma de energía térmica.


Esquema general producción de electricidad. Fuente: bruschenko.blogspot


Con el hidrógeno se da una de las habituales confusiones al hablar de conceptos energéticos hoy en día. A menudo se percibe el mensaje de que es "la energía del futuro".

Si bien es el elemento químico más ligero que existe y el más abundante del universo, siendo alrededor del 75% de la materia, en condiciones normales de presión y temperatura en la Tierra el hidrógeno existe como un gas diatómico (H2). Debido a su baja densidad, escapa del campo gravitatorio terrestre más fácilmente que otros gases más pesados por lo que en su estado gaseoso es poco abundante en la atmósfera. Tiene tendencia a asociarse con otros gases, encontrándose combinado a otros elementos como el carbono formando compuestos orgánicos, o el oxígeno formando moléculas de agua. Teniendo en cuenta que el 70% de la superfície del planeta está formado por agua, y que toda molécula de agua contiene 2 átomos de hidrógeno H2O, se puede considerar un recurso abundante. Pero contrariamente a lo que pueda parecer, el hidrógeno no es una fuente de energía primaria, sino que es un vector energético.

El hidrógeno nos puede proporcionar energía, pero al no existir de manera aislada en la naturaleza, se han de realizar procesos de obtención en los que se consume más energía de la que se consigue después en su uso. Se utilizan diversos métodos de producción que requieren la separación del hidrógeno de los otros elementos con los que se encuentre unido. Son técnicas habituales extraerlo de los hidrocarburos como el gas natural mediante procesos químicos, y del agua mediante electricidad (electrólisis del agua) o calor (termólisis del agua).


http://www.cnh2.es/wp-content/uploads/2011/08/Info-H2a.png
Obtención del hidrógeno. Fuente: cnh2.es

El factor que más expectativas ha creado sobre el uso del hidrógeno, es el de poder sustituir a los derivados del petróleo como combustible de los motores de combustión interna en automoción.

La combustión es una reacción química exotérmica de oxidación-reducción entre una sustancia reductora (combustible) y una sustancia oxidante (comburente) como el oxígeno. El poder calorífico es la cantidad de energía liberada en la reacción de combustión que puede proporcionar el combustible por unidad de masa (la cantidad de calor que entrega un kilogramo) o volumen (la cantidad de calor que entrega un litro). Según la forma de medirlo se emplea el poder calorífico superior PCS o el poder calorífico inferior PCI. La diferencia entre ambos es que en el PCS se contabiliza el calor latente de la oxidación del hidrógeno que contiene los combustibles, es decir, el calor empleado en vaporizar el agua, mientras que en el PCI se descuenta este valor y contabiliza la cantidad de calor realmente aprovechable.

Comparando en una tabla de valores, el poder calorífico inferior PCI entre una gasolina (43,95 MJ/kg) y el hidrógeno (120,01 MJ/kg), podemos observar que el hidrógeno tiene casi 3 veces mayor poder calorífico por unidad de masa, lo que indica que es un combustible excelente a nivel energético. El problema es que debido a su baja densidad en condiciones ambientales (0,09 kg/m3) en relación a la gasolina (730 kg/m3), la energía por volumen que nos ofrece el hidrógeno (0,0108 MJ/litro) es aproximadamente 3000 veces inferior al de la gasolina (32,08 MJ/litro). Esto quiere decir que para aprovechar el alto valor energético másico del hidrógeno es necesario almacenarlo en unas dimensiones de volumen y seguridad, que resulten adecuadas para poderlo instalar en un vehículo. Esto se realiza comprimiéndolo a altas presiones (entre 350 y 700 bar) o licuándolo y manteniéndolo a temperaturas criogénicas (-253 ºC). Ambos procesos son costosos económica y energéticamente.

Si bien es un combustible a tener en cuenta en un futuro de escasez de combustibles fósiles, ha de tenerse claro que el hidrógeno no es una fuente de energía, es sólo una manera de transportarla. En la actualidad todos los métodos de obtención requieren más energía que la que devuelve, debido a sus características es difícil de acumular, y es peligroso en recintos cerrados ya que explota con relativa facilidad. Para su viabilidad sería necesario realizar importantes infraestructuras que abaratasen su producción, asegurasen su mantenimiento y facilitasen el almacenamiento.

La crisis energética en la que nos encontramos es debida al agotamiento de recursos primarios. Ningún vector energético puede solucionar estos eventuales problemas, porque todos ellos requieren de una energía primaria como origen.


2 comentarios:

Camino a Gaia dijo...

Excelente exposición. Conceptos muy elementales que se confunden, no creo que de forma inocente, en el pozo conceptual del marketing que nos aliena.
Un saludo

Eduardo dijo...

Muy buena exposición, sobre todo por el lenguaje sencillo para explicar la complejidad energética en que estamos sumidos. El diagrama de Sankey es excelente para demostrar cómo estamos colgados al petróleo (gasóleo) en los más esencial: producción de alimentos y su transporte a la mitad de la población mundial, básicamente insustituible por electricidad a baterías.
Saludos cordiales

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