Energía Nuclear

La energía nuclear o energía atómica es la energía que se libera espontánea o artificialmente en las reacciones nucleares. Sin embargo, a menudo, cuando se hablamos de energía nuclear nos referimos a generación de energía eléctrica utilizando reacciones nucleares.

Estrictamente hablando la energía nuclear es la energía que se libera al dividir el núcleo de un átomo (fisión nuclear) o al unir dos átomos para convertirse en un átomo individual (fusión nuclear). 

Cuando se produce una de estas dos reacciones físicas (la fisión o la fusión nuclear) los átomos experimentan una ligera pérdida de masa. Esta masa que se pierde se convierte en una gran cantidad de energía calorífica como descubrió el Albert Einstein con su famosa ecuación E=mc2.

Ventajas y desventajas de la energía nuclear

En primer lugar vale aclarar que la energía nuclear es sumamente ventajosa en numerosos aspectos y que a pesar de todo lo que se pueda decir, actualmente es una forma de generar energía siempre a tener en cuenta. Por ejemplo, genera gran parte de la energía eléctrica que consumimos día a día y sólo en la Unión Europea un tercio de la energía eléctrica utilizada se obtiene gracias a la energía nuclear, evitando que unas 700 millones de toneladas de CO2 se envíe hacia la atmósfera.

Al ser una energía no contaminante, su uso garantiza un daño menor al medio ambiente, evitando el uso de combustibles fósiles, generando mucha energía con poco combustible.

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En cuanto a sus desventajas, los riesgos de accidentes nucleares ya son más que conocidos. Las catástrofes de Chernobyl y la más reciente en Fukushima, son realmente paradigmáticas en este aspecto y si no se toman las medidas de seguridad necesarias, el riesgo para la humanidad es enorme.

De hecho, las centrales nucleares demandan un alto costo de construcción y mantenimiento y es por ello que en muchos casos se prefiere el uso de combustibles fósiles. Además, las posibilidades de un uso de la energía nuclear no pacífico es muy real. Muchas naciones pueden utilizarlas con fines bélicos que condenaría a la humanidad eternamente.

Energía de Biomasa

¿Qué es la biomasa?

El término biomasa es referente a toda la materia orgánica que proviene de las plantas, árboles y desechos de animales que pueden ser convertidos en energía. Las fuentes de biomasa incluyen leña; residuos de café o macadamia; productos de aserradero como ramas, aserrín o cortezas; residuos agrícolas como estiércol de vaca, puerco, borrego, etc.; desechos urbanos como aguas negras y basura orgánica; y cultivos energéticos como el maíz, sembrados específicamente para la producción de biomasa para uso energético.

Historia de la energía de la biomasa

Clasificación

*La biomasa se clasifica en dos grupos dependiendo de su origen y de su estado:

*Biomasa natural y biomasa residual (origen).
*Biocombustible sólido, líquido o gaseoso (estado).

Características de la biomasa

Todo lo que proviene de organismos vivos es biomasa, sin embargo no todo material orgánico se presta para la producción eficiente de la energía eléctrica. Para determinar si los diferentes tipos de biomasa son aptos para esta conversión energética, se toma en cuenta el estado físico de la biomasa, características químicas para determinar qué combustible puede generar, contenido de humedad, cantidad de materia sólida no combustible por kilogramo, poder calórico (para determinar la energía disponible), densidad, y condiciones para recolectar, transportar y manejar la planta de biomasa.

Biomasa y la combustión

Cuando la biomasa se quema se producen reacciones químicas combinando el carbono que contiene con el oxígeno del ambiente para resultar dióxido de carbono (CO2), además de combinarse al hidrógeno con oxígeno para formar vapor de agua. Cuando el efecto de la combustión es terminada, todo el carbón se transforma en CO2. Por eso es importante que la biomasa se emplee en forma sostenible con árboles y plantas que estén creciendo para que capten nuevamente el CO2 de la atmósfera.

Consideraciones para la inversión y la planta de biomasa

Volumen y tipo de biomasa: 

El volumen determina el tipo de maquinaria que se necesita y el material de la biomasa determina los tratamientos necesarios para poderse utilizar.

Proceso de conversión:

 Los diferentes tipos de biomasa pueden requerir de procesos más o menos complejos; dependiendo del material original y el producto final deseado se determina el proceso de conversión, también tomando en cuenta la escala de la producción (tamaño hogar o industrial, por ejemplo).

Aplicaciones de la energía:

 Influye en la determinación del tipo de instalación necesaria. La biomasa al ser transformada con fines energéticos debe de ser convertida para su transportación y utilización. Algunos derivados son el carbón vegetal, briquetas, gas, etanol y electricidad.

Procesos de conversión de la biomasa

• Procesos de combustión directa: Se aplica para generar calor por medio de la quema de la biomasa. Ejemplos de este sistema simple son las estufas, hornos y calderas.

• Procesos termo-químicos: La biomasa se convierte en un producto combustible a través de un proceso de pirólisis o carbonización. El producto final tiene más densidad y valor calorífico, lo cual hace más conveniente su utilización y transporte.

• Procesos bio-químicos: Utiliza biomasa humedecida con bacterias en un ambiente anaeróbico para producir biogás, un gas combustible que se obtiene mediante un biodigestor.

¿Qué es un biodigestor?

Es un dispositivo que sirve para procesar los residuos orgánicos para obtener biogás y otros productos útiles. Es un recipiente cerrado con una entrada lateral para los residuos, un escape en la parte de arriba por donde sale el biogás, y una salida para los desechos ya procesados. El biodigestor convierte residuos como estiércol y aguas negras por medio de la acción de las bacterias que realizan la descomposición anaeróbica, produciendo gases como metano que se pueden utilizar para cocinar.

¿Qué tipos de energía provienen de la biomasa?

• Calor y vapor (Procesos combustión directa) - Ejemplo: calefacciones.

• Combustible gaseoso (Procesos bio-químicos) - Ejemplo: gas para cocinar.

• Biocombustible (Procesos bio-químicos) - Ejemplo: biodiesel, etanol y otros combustibles para el funcionamiento de automóviles.

• Electricidad (Procesos termo-químicos y bio-químicos) - Ejemplo: el metro de Monterrey, Nuevo León, México.

• Co-generación de calor y electricidad (Procesos bio-químicos, procesos termo-químicos y combustión directa) - Ejemplo: funcionamiento de diferentes tipos de industrias que benefician del vapor y la electricidad, como los ingenios de azúcar.

Aplicaciones de la biomasa

• Sector domestico: La leña tanto como el biogás se utilizan para cocinar en lugares rurales alrededor del mundo. El uso de leña es menos eficiente y más contaminante que otros combustibles existentes, además de ser una de las causas de la deforestación. Los biodigestores, al contrario, aprovechan los desechos de otras actividades, no producen contaminación adicional y se pueden incorporar al diseño de viviendas, ranchos e inclusive escuelas rurales.

• Sector industrial: Las aplicaciones más importantes de la biomasa en el sector industrial son la generación de calor para el secado de productos agrícolas como el café y la producción de cal y ladrillos. La co-generación es una combinación de electricidad y calor, por ejemplo generación eléctrica, hornos industriales para secado de madera y granos, y calderas también para el secado de madera y granos.

• Sector comercial: Se utiliza la biomasa en restaurantes y pequeños negocios en forma parecida a la domestica.

La energía de la biomasa es considerada la energía renovable más vieja del mundo desde que los primeros humanos existieron y descubrieron el fuego.

Desde la prehistoria las personas han utilizado esta energía por medio de combustión directa: quemándola en hogueras a la intemperie, en hornos y cocinas artesanales e incluso en calderas. Esto se usaba para cocinar alimentos, para protegerse de fríos y desde la revolución industrial para la producción de vapor. En las aldeas de las Américas, Asia y Europa era común alojar a los animales bajo las casas; esto tenía la función de mantener las casas un poco más calientes por medio del calor corporal de los animales y también por el calor producido por los microorganismos durante el proceso de descomposición del estiércol. Ambos son ejemplos de biomasa.

Hoy en día la biomasa abarca muchas fuentes y tecnologías energéticas; algunas se pueden considerar energías limpias y otras no. Por ejemplo, la combustión de leña produce bastante contaminación del aire y por lo tanto no es una energía limpia; al contrario el aprovechamiento de la liberación de gases de los vertederos es una manera más limpia y sustentable de utilizar la biomasa, ya que los vertederos de todas maneras producen estos gases.

Energía Geotermica

La geotermia no es más que el calor interno de la Tierra. Este calor interno calienta hasta las capas de agua más profundas: al ascender, el agua caliente o el vapor producen manifestaciones, como los géiseres o lasfuentes termales, utilizadas para calefacción desde la época de los romanos. Hoy en día, los progresos en los métodos de perforación y bombeo permiten explotar la energía geotérmica en numerosos lugares del mundo.

La Tierra posee una importante actividad geológica. Esta es la responsable de la topografía actual de nuestro mundo, desde la configuración de tierras altas y bajas (continentes y lechos de océanos) hasta la formación de montañas. Las manifestaciones más instantáneas de esta actividad son el vulcanismo y los fenómenos sísmicos. El núcleo de nuestro planeta es una esfera de magma a temperatura y presión elevadísimas. De hecho, el calor aumenta según se desciende hacia el centro de la Tierra: en bastantes pozos petrolíferos se llega a 100 grados centígrados a unos 4 kilómetros de profundidad. Pero no es necesario instalar larguísimos colectores para recoger una parte aprovechable de ese calor generado por la actividad geológica de la Tierra. Puede ser absorbido de colectores naturales, como por ejemplo géisers o simples depósitos de aguas termales.

La zona del interior de la tierra donde se producen esas fuerzas se encuentra aproximadamente a unos 50 km. de profundidad, en una franja denomina sima o sial. Conforme se desciende hacia el interior de la corteza terrestre se va produciendo un aumento gradual de temperatura, siendo ésta de un grado cada 37 metros aproximadamente. Para aprovechar esas temperaturas se utilizan sistemas de tecnología similar a las empleadas en la energía solar aplicadas a turbinas: calentamiento de un líquido con cuya energía se hacen mover las palas de un generador eléctrico.

Los sistemas geotérmicos son considerados como los más prácticos, tanto por el rendimiento como por el mantenimiento. La única pieza móvil de estas centrales se reduce a la turbina, lo que mejora la vida útil de todo el conjunto. Otra característica ventajosa se refiere a la fuente de energía utilizada, ésta se encuentra siempre presente y suele ser constante en el tiempo, con apenas variaciones.

Básicamente, una central geotérmica consta de una perforación realizada en la corteza terrestre a gran profundidad. Para alcanzar una temperatura suficiente de utilización debe perforarse varios kilómetros; la temperatura aproximada a 5 kilómetros de profundidad es de unos 150º centígrados. El funcionamiento se realiza mediante un sistema muy simple: dos tubos que han sido introducidos en la perforación practicada, mantienen sus extremos en circuito cerrado en contacto directo con la fuente de calor. Por un extremo del tubo se inyecta agua fría desde la superficie, cuando llega a fondo se calienta y sube a chorro hacia la superficie a través del otro tubo, que tiene acoplado una turbina con un generador de energía eléctrica. El agua fría enfriada es devuelta de nuevo por el primer tubo para repetir el ciclo.

El sistema descrito es viable en lo que respecta a su construcción y perforación, no en vano las prospecciones petrolíferas se realizan a varios kilómetros de profundidad, sin embargo se presenta un problema relacionado con las transferencias de calor. Cuando el hombre diseña dispositivos para conservar o transferir calor, utiliza aquellos que tienen capacidades aislantes o conductoras, según las aplicaciones.

Por ejemplo, los metales tienen menor resistencia a la conducción del calor, al contrario de la arena o la propia roca, que la conserva. Este último caso es el que se presenta en una instalación geotérmica; la sima del interior de la corteza terrestre donde se encuentra el calor aprovechable,  no tiene la capacidad de conducir el calor, por ello cuando la central entra en funcionamiento y comienza a inyectar agua al interior de la sima, ésta se va enfriando ya que no es capaz de recuperar la temperatura a la misma velocidad que la consume, precisamente por la característica descrita de baja conducción de la roca. En la práctica este inconveniente impide el funcionamiento continuo de la central, ya que una vez que la sima ha cedido todo su calor, el sistema se detiene y es preciso esperar a que la roca recupere de nuevo su temperatura habitual.

A pesar del inconveniente descrito, que impide su aplicación a gran escala, existen zonas cuyas características geológicas especiales permiten un mejor aprovechamiento, ejemplo de determinadas islas del archipiélago canario, donde se pueden encontrar temperaturas de cientos de grados a muy poca profundidad, lo que permitiría distribuir instalaciones horizontales con pocas inversiones en prospección, ya que todo el subsuelo tiene características geotérmicas.

El modo de explotación del calor de las rocas depende de las temperaturas de las capas. Así se tiene la geotermia de alta energía, para aguas de 150 a 300 ºC, que permite la producción directa de electricidad mediante turbinas de vapor. Hay algunas centrales de este tipo en el mundo, entre las que se puede destacar las de Guadalupe, Italia y Japón. También existe la geotermia de energía media que se caracteriza por explotar agua de temperaturas comprendidas entre 80 y 150ºC que no pueden utilizarse directamente para producir vapor. Hay que recurrir a un fluido intermedio que acciona los turboalternadores. Se trata sin embargo de un tipo de geotermia que puede servir de calefacción.

Energía Hidráulica

La energía hidráulica se basa en aprovechar la caída del agua desde cierta altura. La energía potencial, durante la caída, se convierte en cinética. El agua pasa por las turbinas a gran velocidad, provocando un movimiento de rotación que finalmente se transforma en energía eléctrica por medio de los generadores.

Es un recurso natural disponible en las zonas que presentan suficiente cantidad de agua y, una vez utilizada, es devuelta río abajo. Su desarrollo requiere construir pantanos, presas, canales de derivación y la instalación de grandes turbinas y equipamiento para generar electricidad. Todo ello implica la inversión de grandes sumas de dinero, por lo que no resulta competitiva en regiones donde el carbón o el petróleo son baratos. Sin embargo, el peso de las consideraciones medioambientales y el bajo mantenimiento que precisan una vez estén en funcionamiento centran la atención en esta fuente de energía.

La energía hidráulica se produce por el almacenamiento de agua en embalses y lagos a gran altitud. Si en un momento dado el agua se desplaza a un nivel inferior de altura, esta energía almacenada se transforma en energía cinética y luego en energía eléctrica al pasar por una central hidroeléctrica. 

La fuerza del agua ha sido utilizada durante mucho tiempo para moler trigo, pero fue con la Revolución Industrial, y especialmente a partir del siglo XIX, cuando comenzó a tener gran importancia con la aparición de las ruedas hidráulicas para la producción de energía eléctrica. Poco a poco la demanda de electricidad fue en aumento. El bajo caudal del verano y otoño, unido a los hielos del invierno hacían necesaria la construcción de grandes presas de contención, por lo que las ruedas hidráulicas fueron sustituidas por máquinas de vapor en cuanto se pudo disponer de carbón.

La primera central hidroeléctrica moderna se construyó en 1880 en Northumberland, Gran Bretaña. El renacimiento de la energía hidráulica se produjo por el desarrollo del generador eléctrico, seguido del perfeccionamiento de la turbina hidráulica y debido al aumento de la demanda de electricidad a principios del siglo XX. En 1920 las centrales hidroeléctricas generaban ya una parte importante de la producción total de electricidad.

A principios de la década de los noventa, las primeras potencias productoras de energía hidroeléctrica eran Canadá y Estados Unidos. Canadá obtiene un 60% de su electricidad de centrales hidráulicas.

En todo el mundo, este tipo de energía representa aproximadamente la cuarta parte de la producción total de electricidad, y su importancia sigue en aumento. Los países en los que constituye fuente de electricidad más importante son Noruega (99%), Zaire (97%) y Brasil (96%). La central de Itaipú, en el río Paraná, está situada entre Brasil y Paraguay, se inauguró en 1982 y tiene la mayor capacidad generadora del mundo. Como referencia, la presa Grand Coulee, en Estados Unidos, genera unos 6.500 Mw y es una de las más grandes.

En algunos países se han instalado centrales pequeñas, con capacidad para generar entre un kilovatio y un megavatio. En muchas regiones de China, por ejemplo, estas pequeñas presas son la principal fuente de electricidad. Otras naciones en vías de desarrollo están utilizando este sistema con buenos resultados.

Centrales hidroeléctricas

La energía hidroeléctrica es una de las más rentables. El costo inicial de construcción es elevado, pero sus gastos de explotación y mantenimiento son relativamente bajos. Aún así tienen unos condicionantes:

Las condiciones pluviométricas medias del año deben ser favorables

El lugar de emplazamiento está supeditado a las características y configuración del terreno por el que discurre la corriente de agua.

El funcionamiento básico consiste en aprovechar la energía cinética del agua almacenada, de modo que accione las turbinas hidráulicas. En el aprovechamiento de la energía hidráulica influyen dos factores: el caudal y la altura del salto para aprovechar mejor el agua llevada por los ríos, se construyen presas para regular el caudal en función de la época del año. La presa sirve también para aumentar el salto. Otra manera de incrementar la altura del salto es derivando el agua por un canal de pendiente pequeña (menor que la del cauce del río), consiguiendo un desnivel mayor entre el canal y el cauce del río. El agua del canal o de la presa penetra en la tubería donde se efectúa el salto. Su energía potencial se convierte en energía cinética llegando a las salas de máquinas, que albergan a las turbinas hidráulicas y a los generadores eléctricos. El agua al llegar a la turbina la hace girar sobre su eje, que arrastra en su movimiento al generador eléctrico.

La tecnología de las principales instalaciones se ha mantenido igual durante el siglo XX.

Las turbinas pueden ser de varios tipos, según los tipos de centrales: Pelton (saltos grandes y caudales pequeños), Francis (salto más reducido y mayor caudal), Kaplan (salto muy pequeño y caudal muy grande) y de hélice.

Las centrales dependen de un gran embalse de agua contenido por una presa. El caudal de agua se controla y se puede mantener casi constante. El agua se transporta por unos conductos o tuberías forzadas, controlados con válvulas para adecuar el flujo de agua por las turbinas con respecto a la demanda de electricidad. El agua sale por los canales de descarga.

El agua es devuelta al río en las condiciones en que se tomó, de modo que se puede volver a utilizar por otra central situada aguas abajo o para consumo.

La utilización de presas tiene varios inconvenientes. Muchas veces se inundan terrenos fértiles y en ocasiones poblaciones que es preciso evacuar. La fauna piscícola puede ser alterada si no se toman medidas que la protejan.

Se mide en metros o hectómetros cúbicos. Los embalses tienen pérdidas debidas a causas naturales como evaporación o filtraciones.

Conceptos Nivel: horizontalidad constante de la superficie de un terreno, o de la superficie libre de los líquidos. Cota: valor de la altura a la que se encuentra una superficie respecto del nivel del mar. Caudal: cantidad de líquido, expresada en metros cúbicos o en litros, que circula a través de cada una de las secciones de una conducción, abierta o cerrada en la unidad de tiempo. Salto de agua: paso brusco o caída de masas de agua desde un nivel a otro inferior. Numéricamente se identifica por la diferencia de cota que se da en metros. Embalse: resulta de almacenar todas las aguas que afluyen del territorio sobre el que está enclavado. Las dimensiones del embalse dependen de los caudales aportados por el río. Su capacidad útil es toda aquélla agua embalsada por encima de la toma de la central. La capacidad total incluye el agua no utilizable.

Tipos de centrales hidroeléctricas

Clasificación

Se pueden clasificar según varios argumentos, como características técnicas, peculiaridades del asentamiento y condiciones de funcionamiento.

En primer lugar hay que distinguir las que utilizan el agua según discurre normalmente por el cauce de un río, y aquellas otras a las que ésta llega, convenientemente regulada, desde un lago o pantano. Se denominan:

Centrales de Agua Fluente, Centrales de agua embalsada, Centrales de Regulación, Centrales de Bombeo.

Según la altura del salto de agua o desnivel existente:

Centrales de Alta Presión, Centrales de Media Presión, Centrales de Baja Presión

Centrales de Agua Fluente:

Llamadas también de agua corriente, o de agua fluyente. Se construyen en los lugares en que la energía hidráulica debe ser utilizada en el instante en que se dispone de ella, para accionar las turbinas hidráulicas.

No cuentan prácticamente con reserva de agua, oscilando el caudal suministrado según las estaciones del año. En la temporada de precipitaciones abundantes (de aguas altas), desarrollan su potencia máxima, y dejan pasar el agua excedente. Durante la época seca (aguas bajas), la potencia disminuye en función del caudal, llegando a ser casi nulo en algunos ríos en la época del estío.

Su construcción se realiza mediante presas sobre el cauce de los ríos, para mantener un desnivel constante en la corriente de agua.

Centrales de agua embalsada: Se alimenta del agua de grandes lagos o de pantanos artificiales (embalses), conseguidos mediante la construcción de presas. El embalse es capaz de almacenar los caudales de los ríos afluentes, llegando a elevados porcentajes de captación de agua en ocasiones. Este agua es utilizada según la demanda, a través de conductos que la encauzan hacia las turbinas.

Centrales de Regulación:

Prestan un gran servicio en situaciones de bajos caudales, ya que el almacenamiento es continuo, regulando de modo conveniente para la producción. Se adaptan bien para cubrir horas punta de consumo.

Centrales de Bombeo:

Se denominan "de acumulación". Acumulan caudal mediante bombeo, con lo que su actuación consiste en acumular energía potencial. Pueden ser de dos tipos, de turbina y bomba, o de turbina reversible.

La alimentación del generador que realiza el bombeo desde aguas abajo, se puede realizar desde otra central hidráulica, térmica o nuclear.

No es una solución de alto rendimiento, pero se puede admitir como suficientemente rentable, ya que se compensan las pérdidas de agua o combustible.

Centrales de Alta Presión:

Aquí se incluyen aquellas centrales en las que el salto hidráulico es superior a los 200 metros de altura. Los caudales desalojados son relativamente pequeños, 20 m3/s por máquina.

Situadas en zonas de alta montaña, y aprovechan el agua de torrentes, por medio de conducciones de gran longitud.

Centrales de Media Presión:

Aquellas que poseen saltos hidráulicos de entre 200-20 metros aproximadamente. Utilizan caudales de 200m3/s por turbina.

En valles de media montaña, dependen de embalses.

Centrales de Baja Presión:

Sus saltos hidráulicos son inferiores a 20 metros. Cada máquina se alimenta de un caudal que puede superar los 300m3/s.

Ventajas La energía hidroeléctrica en general, y su uso en particular, presenta ciertas ventajas sobre otras fuentes de energía, como son: Disponibilidad: Es un recurso inagotable, en tanto en cuanto el ciclo del agua perdure. No contamina" (en la proporción que lo hacen el petróleo, carbón, etc.): Nos referimos a que no emite gases "invernadero" ni provoca lluvia ácida, es decir, no contamina la atmósfera, por lo que no hay que emplear costosos métodos que limpien las emisiones de gases. Produce trabajo a la temperatura ambiente: No hay que emplear sistemas de refrigeración o calderas, que consumen energía y, en muchos casos, contaminan, por lo que es más rentable en este aspecto. Almacenamiento de agua para regadíos Permite realizar actividades de recreo (remo, bañarse, etc.) Evita inundaciones por regular el caudal.

Sin embargo, también tiene una serie de inconvenientes:

Las represas: obstáculos insalvables. Salmones y otras especies que tienen que remontar los ríos para desovar se encuentran con murallas que no pueden traspasar.

"Contaminación" del agua. El agua embalsada no tiene las condiciones de salinidad, gases disueltos, temperatura, nutrientes, y demás propiedades del agua que fluye por el río.

Privación de sedimentos al curso bajo. Los sedimentos se acumulan en el embalse empobreciéndose de nutrientes el resto de río hasta la desembocadura.