MATERIA Y ENERGÍA
Por César Márquez
“La materia es energía”.
La materia de los objetos está constituida por corpúsculos elementales,
protones, electrones, neutrones, etc., que pueden moverse con velocidades
del reposo a la de la luz. La energía es la capacidad que posee un
sistema material para realizar un trabajo, de naturaleza electromagnética,
sus fotones se mueven a la velocidad de la luz.
La energía que el hombre obtiene la utiliza para transformar productos
naturales como petróleo, carbón, minerales, agua, aire, tierra,
árboles, etc., en productos artificiales o sintéticos: aluminio,
hierro, acero, plásticos, papel, etc.
La casi totalidad de la energía de nuestro planeta procede directa
o indirectamente del Sol, que suministra el 99,9%, exceptuando el calor interno
de la Tierra (geotérmica) que brota en forma de manantiales calientes
y volcanes, la energía de las mareas (diferencias de gravedad Sol,
Tierra y Luna) y la energía nuclear extraída mediante la fisión
o la fusión de determinados núcleos atómicos.
Formas
y tipos de energía
La energía se manifiesta
de múltiples formas. Se clasifica y designa según el efecto
que produce, así se dice energía mecánica, eléctrica,
calorífica, química, etc. El paso de una forma a otra se realiza
según se precise con las consiguientes pérdidas.
Por su forma de presentación.
Atendiendo a la fuente.
Por su forma de presentación: La ciencia distingue:
Mecánica: Cinética (cuerpo en movimiento), gravitatoria o potencial
y elástica.
Electromagnética: Manifiesta campo electrostático, magnético
y corriente eléctrica.
Electrostática: Interacciones de las cargas eléctricas en reposo.
Electrodinámica: Estudio de las cargas en movimiento: corrientes eléctricas.
Son los electrones los portadores de la carga eléctrica (negativa)
que, moviéndose a través de los conductores producen corriente
eléctrica.
Química: Reacciones químicas que poseen las sustancias.
Metabólica: Organismos vivos por la oxidación de alimentos ingeridos.
Nuclear: Trata de las reacciones nucleares, fisión (desintegración)
y fusión (unión) de algunos núcleos de átomos.
Calorífica: La energía térmica o calor es el resultado
de la agitación desordenada de las moléculas.
4 energías que rigen la vida: Según la física son:
Fuerza gravitatoria: Mantiene en equilibrio las grandes masas y su conjunto de energías, se considera como la más débil.
Fuerza electromagnética: Suelda y une los átomos, da forma a
las moléculas y las obliga a combinarse. Magnetismo y electricidad
son fenómenos inseparables: una carga eléctrica que se desplaza
genera una fuerza magnética. Un campo magnético que varía
crea una fuerza eléctrica.
Fuerzas radiactivas o nucleares débiles: Intervienen en la muerte y
descomposición de la materia. La desintegración de los átomos
y las partículas libera grandes cantidades de energía.
Fuerza nuclear fuerte: Mantiene “pegadas” las partículas atómicas, la cual posee una intensidad energética 100 veces superior a la electromagnética.
Atendiendo a las fuentes de las que proceden se pueden clasificar en:
RENOVABLES: Se producen de forma continua e inagotable.
Hidráulica.
Solar.
Eólica.
Biomasa.
Mareomotriz.
NO RENOVABLES: Están fijas en el planeta, y se van agotando conforme se van consumiendo:
Carbón.
Gas natural.
Petróleo.
Electricidad.
Nuclear.
Energías Renovables.
La energía solar es una energía limpia, segura, inagotable y gratuita (al menos en su origen), pero para usarla hay que asumir cambios en ciertos hábitos fuertemente arraigados en las sociedades económicamente avanzadas, como el consumo indiscriminado. Existe un lentísimo desarrollo de las energías renovables, y desde algunos sectores se comienzan a realizar esfuerzos para favorecer dicho desarrollo, como es el de la vivienda y el de la pequeña y mediana empresa.
Hidráulica: El agua como fuente natural de energía se utilizó
para accionar norias y mover pesadas piedras de molino, fraguas, aserraderos,
etc. Actualmente grandes masas de agua embalsada en los ríos por presas
permiten establecer diferencias de nivel (energía potencial) entre
sus vertientes, el agua en su caída impulsa las turbinas situadas a
pie del paramento de la presa, que a su vez accionan generadores eléctricos,
con rendimientos superiores al 90%. Los embalses permiten otros usos como
abastecimiento de poblaciones, riego o actividades.
Es la fuente de energía renovable más importante para la generación de energía eléctrica, desarrollándose tecnologías como las minicentrales hidráulicas de gran versatilidad de explotación y altos rendimientos. Inconvenientes: la disponibilidad en ciertas épocas de sequía, imposibilidad de planificaciones anuales, separación de centros de consumo, grandes inversiones de instalación...
Energía solar: Originada por la acción directa de la radiación electromagnética procedente del Sol. Sobre 1 m2 se recibe hasta 1 Kw de radiación solar. Formas de aprovechamiento: Arquitectura solar, Conversión térmica (calor almacenado en un fluido), Conversión fotovoltaica.
Energía eólica:
Producida por el viento y usada a través de los molinos de viento y
propulsión náutica, y como la solar es dispersa, intermitente
y aleatoria.
Biomasa: Se transforma la materia orgánica vegetal en gas a través de la termoquímica, o en combustibles líquidos mediante transformación bioquímica de productos vegetales por hidrólisis, o de residuos urbanos por pirólisis. Y además de aprovechamiento energético, existe una eliminación de residuos.
Mareomotriz: Aprovechando la energía contenida en el mar a través de las mareas, las olas y las diferencias térmicas en sus capas. En cualquier caso presenta el inconveniente del elevado coste de instalación y escaso desarrollo tecnológico.
Energía
no renovable
Combustibles fósiles: El carbón, el gas natural y el petróleo se han formado durante millones de años al quedar la materia animal y vegetal enterrada en putrefacción incompleta. Han sido fuentes de energía de las sociedades industrializadas a lo largo de los últimos 150 años, pero se están agotando.
El problema de los combustibles fósiles es que son contaminantes, y
la quema masiva de carbón o petróleo provoca muchos y muy negativos
impactos ambientales. El consumo de estos combustibles es el responsable del
80% de la producción de los gases que provocan el efecto invernadero
y la lluvia ácida: (CO y CO2), cenizas, óxidos de nitrógeno
y dióxido de azufre; sustancias muy venenosas para el hombre, plantas,
animales e incluso para nuestros edificios. La emisión de CO2 puede
aumentar las temperaturas globales en unos 4 ºC en sólo un siglo,
provocando un Cambio Climático sin precedentes.
En 1995 los países industrializados (menos de ? parte de la población
mundial) ostentan más del 77% del consumo actual, es decir, que el
70% de la población mundial consume sólo el 23% de la energía.
En los países en vías de desarrollo cientos de millones de personas
tienen cada vez mayores dificultades en encontrar madera o sustitutos para
satisfacer sus elementales necesidades de cocción, aumentando la deforestación
y la creciente escasez de alimentos en el tercer mundo.
El 85% de la energía que consumimos proviene de combustibles fósiles
por: disponibilidad, tecnología desarrollada, altos rendimientos, facilidad
de transporte y almacenamiento, facilidad de conversión de sólido
a líquido o gas. Constituyen además materias primas para la
fabricación de productos de extensa utilización.
Cuando las reservas conocidas disminuyen, las compañías petrolíferas (las del carbón o el gas) invierten gigantescas sumas en explotación de nuevos campos petrolíferos, aumentan cada vez más las reservas y los años de consumo.
Carbón: Formado en el subsuelo a partir de la materia orgánica
de los bosques de la Era Primaria. Sustituyó como combustible a la
madera. Alimentó los hornos de la revolución industrial en todo
el mundo. Su uso es diverso: como fuente de energía mecánica,
aplicación en la industria del gas (gasógeno que iluminó
ciudades enteras 1.807), y su incidencia en la industria química, por
lo que hasta 1.900 un 96% de la energía mundial derivaba del carbón.
Las centrales eléctricas de carbón, que son las principales
generadoras de la electricidad domésticas, son la mayor fuente de CO2.
La calefacción de carbón no es eficaz, ya que aproximadamente
el 80% del calor se pierde por la chimenea. Aunque existen técnicas
“limpias” para el carbón, no se invierte en ellas.
Variedades de carbón según su contenido en carbono, materiales
volátiles y cenizas:
Antracita, (más del 90 % de C., materias volátiles inferior
al 4%) empleada en calefacciones domésticas y actividades manufactureras.
Hulla, utilizada en generación de energía y coquerización para la industria siderúrgica.
Lignito, agua y elementos volátiles, superior al 45%.
Petróleo: Se ha formado por la descomposición de animales y
vegetales de otras eras geológicas, a presión y temperatura,
bajo la superficie de la Tierra. Se conocía en la antigüedad como
“aceite de roca”. Contenido en bolsas en estado líquido se
extrae perforando la superficie y se destila para obtener diversos gases,
como los gases licuados del petróleo, y líquidos como la gasolina.
La multitud de derivados del petróleo, mayor facilidad y menor coste
de extracción y transporte que el carbón, hace de él
la base energética de la sociedad actual. En 1945 nació la industria
petroquímica al transformar ciertos productos de la destilación
del petróleo en plásticos, elaborando materias primas: abonos
artificiales, herbicidas, insecticidas, barnices, tintes, pinturas, fibras
sintéticas, cauchos, butano, propano, fármacos, colorantes,
detergentes, cosméticos...
El uso indiscriminado y excesivo de esos abonos, herbicidas y plaguicidas
artificiales, ha transformado la agricultura de ser una actividad renovable
(ciclo completo que se alimentaba a sí mismo) base de nuestra alimentación,
en un sistema industrializado que consume enormes cantidades de energía,
nos envenena un poco más cada día, y arroja nuevos contaminantes
en el medio.
Los plásticos, pinturas, barnices, fibras sintéticas, etc.,
son productos tóxicos que perjudican la salud del ser humano y contamina
el medio ambiente. Como ya veremos en el Cap. 9: “Hogar Ecológico”.
Gas natural: Gases combustibles localizados en el subsuelo y generalmente
asociado al crudo de petróleo. El principal componente es el metano
(CH4) en proporciones desde un 80% hasta un 99%, otros hidrocarburos (propano,
etano y butano), gases inertes (nitrógeno y helio) e impurezas (azufre).
Durante años el gas natural que acompañaba al petróleo
no se aprovechó y se desfogaba a la salida por cuestiones técnicas.
El gas es hoy un recurso energético importante tiene un alto rendimiento
y de los combustibles fósiles es el menos contaminante; contribuye
en un 20% al consumo mundial de energía, en función de su limpieza,
comodidad de uso y regulación y versatilidad (menos en transporte y
en industria siderúrgica).
Supone el 30% de ahorro energético respecto a la electricidad, cuando se quema. Su fabricación es también menos contaminante que la generación de electricidad por las centrales térmicas, puesto que crea el 40% menos de dióxido de carbono, principalmente componente del efecto invernadero.
El abastecimiento a través de gasoductos y licuefacción para su transporte marítimo, son sistemas de alto coste de instalación; además se corre el peligro de escapes en las conducciones contribuyendo al efecto invernadero.
Electricidad: En 1.800 Volta construyó la primera pila eléctrica.
En 1.879 Edison y Swan inventan la lámpara de incandescencia, que transforma
la electricidad en luz. En 1.880 se capta en los Alpes energía hidráulica
para transformarla en electricidad. En 1.882 Edison construye el primer sistema
de producción y distribución de energía eléctrica
en Nueva York, similar al ideado para el gas, entrando en una segunda fase
de la industrialización a través de la electrificación.
Y así más inventos hasta nuestros días.
Energía inmediata y final debido a su funcionalidad: iluminación
artificial más eficiente, disponibilidad de motores y procesos químicos
de nuevo tipo, posibilidad de distribución y transporte inmediato a
casi cualquier lugar y en casi cualquier cantidad, con adecuación instantánea
a la demanda energética.
Nuclear: descubrimientos acerca de la estructura interna del átomo,
han permitido investigaciones que conducirían al desarrollo de la energía
nuclear. En junio de 1.945 se efectuó la primera prueba nuclear en
Alamogordo. El 6 de Agosto se lanza en Hiroshima la primera bomba atómica
de Uranio. Tres días más tarde otra, cargada de Plutonio, arrasó
Nagasaki.
En 1952 estalla la primera bomba H basada en la energía de fusión
del hidrógeno (unión de dos o más átomos de H
para formar átomos de helio), con capacidad destructora equivalente
a 2.500 bombas atómicas de Hiroshima.
Con objeto de rentabilizar las enormes inversiones realizadas en el desarrollo
del armamento nuclear, tras la II Guerra Mundial nace la política de
“átomos para la paz”. En 1.955 se celebra la primera conferencia
internacional sobre las aplicaciones pacíficas de la energía
nuclear, organizada por la ONU. Al año siguiente entra en servicio
la primera central electronuclear en el Reino Unido. En 1982 funcionaban unas
250 centrales, que suministra menos del 6% de la energía eléctrica
mundial.
Las reacciones de ruptura de elementos radiactivos (fisión), Uranio
y Plutonio convierten parte de la masa en energía siguiendo la ecuación
de Einstein (E=mc2), obteniendo un altísimo rendimiento energético
(por unidad de combustible, más de 50 millones de veces la del carbón).
Inconvenientes principales se citan su alta peligrosidad en caso de accidente
y la generación de residuos tóxicos de larga vida.
Ninguna compañía de seguros del mundo asegura las centrales nucleares. En EE.UU. salió en 1974 una Ley en la que las industrias del país cubrirían cualquier accidente que afectara a la población. En España tenemos funcionando 9 centrales de las 10 que hay terminadas. Valdellós 1 es la que cerró por un accidente.
EL FUTURO DE LA ENERGÍA
Las grandes compañías que suministra la energía abundante
que demanda la sociedad, tienen el control de las fuentes energéticas,
asegurándose un beneficio indefinido en el tiempo gracias al control
de la materia prima.
Las previsiones para el futuro dependerán de dos consideraciones:
La seguridad de suministro.
Las emisiones de contaminantes atmosféricos.
Carbón: Las fuentes de energía fósil son limitadas, aunque
se demanda sigue aumentando. Actualmente hay disponible y reservas en todos
los países del mundo, evoluciona con tecnologías más
limpias, pero a medida que la extracción del carbón sea cada
vez más difícil, los precios subirán en consonancia.
A pesar del alto impacto medioambiental que tiene se mantiene vigente.
Petróleo: Seguirá como fuente principal energética, insustituible
en petroquímica y transportes. Es probable que en unos treinta años
las reservas petrolíferas estén agotadas. Por lo que disminuirá
gradualmente su participación en el consumo mundial.
Gas natural: Seguirá creciendo, pese a las altas inversiones de la
red de transporte. Se beneficiará por la imposición de tasas
de carbón.
Energía nuclear: Generará sólo electricidad. La energía
nuclear no parece ser una alternativa segura ni económica.
Inconvenientes: su contestación pública, gastos enormes de construcción
(largos períodos), mantenimiento de la instalación y de los
reactores nucleares, el residuo radiactivo es peligroso y las reservas de
uranio sólo pueden mantenerse cerca de otros 100 años.
La energía nuclear después de más de 40 años, y miles de millones invertidos, tiene una escasa participación en el balance energético, y además no cuenta con el favor del público ni de gran número de técnicos y científicos a causa de los grandes riesgos que comporta, y es tan poco renovable como el carbón, el gas natural o el petróleo, es decir, se agota como aquellas a medida que se consume.
Energía hidráulica: Sólo electricidad. Inconveniente por limitación de recursos y altos costes de inversión y medioambientales.
Energías renovables: Apoyadas por las políticas energéticas, se espera que vayan aumentando el porcentaje con respecto a otras opciones.
CONTAMINACIÓN
DEL MEDIO: ACTIVIDADES ENERGÉTICAS
La actividad energética debe contemplarse en su ciclo completo, desde
su origen, extracción de materias primas, preparación y transporte,
fabricación de equipos y construcción de instalaciones, operación
y mantenimiento de las mismas y gestión de residuos de todo tipo que
se han producido en el proceso.
En el Plan Energético Nacional se expone que la contaminación
afecta al medio natural en sus fases:
Suelo.
Agua.
Atmósfera.
Ruido.
Residuos radiactivos.
Suelo: Destaca la minería, y en especial la extracción a cielo abierto. Los embalses de las centrales hidroeléctricas y las centrales térmicas de generación eléctrica por carbón ubicadas junto a yacimientos asociados, afectan a grandes extensiones alterando estructura y composición natural, la flora y la fauna.
Refinerías de petróleo e instalaciones de gas y electricidad con sus oleoductos y líneas de transporte y distribución de productos energéticos alteran las condiciones naturales y reciben la contaminación del foco emisor próximo.
Agua: Impacto de tres tipos: térmico, físico y químico.
Contaminación Térmica: Por aumento de temperatura a causa de
utilización de caudales importantes en la refrigeración de instalaciones.
Contaminación Física: Por sedimentos arrastrados en la minería.
Contaminación Química: Por evacuación de compuestos orgánicos,
hidrocarburos y fenoles, compuestos químicos, amoníaco, cloruros,
sulfuros... subproductos del proceso de refino de petróleo, centrales
térmicas, mineras o gasistas, generalmente débil al disponer
de plantas de tratamiento.
También destaca la contaminación difusa a través de la utilización de nutrientes químicos por la agricultura y la evacuación de aguas domésticas con alto contenido de nitratos y fosfatos, aumentada por procesos del sector energético, dando lugar a la “eutrofización” (aumento de algas) de embalses y cursos de agua e insuficiencia de oxígeno que altera gravemente la vida en organismos acuáticos.
Atmósfera: Aquí se producen los impactos más importantes por la actividad energética y causan los efectos de mayor preocupación en la actualidad: lluvia ácida, efecto invernadero y disminución de la capa de ozono. Que veremos en Apuntes sobre Medio Ambiente.
El CO2 y el vapor de agua no son propiamente contaminantes, aunque en grandes cantidades puede contribuir a alterar el equilibrio climático y los ecosistemas, pasando a considerarse contaminantes secundarios. Otros contaminantes atmosféricos: ozono, flúor, hidrocarburos aromáticos, metales pesados, dioxinas...
Ruido: Focos más importantes en refinerías de petróleo, centrales térmicas, y minería coincidiendo con las detonaciones explosivas de extracción del mineral.
Residuos radiactivos: Destacables los de la minería del carbón
y centrales térmicas (montañas artificiales de escorias) y los
de las centrales nucleares.
Desde el momento en que se explotan las minas de material radiactivo y se
dispersan sus partículas, hasta el momento de arrojar los residuos
al medio ambiente, la industria nuclear genera contaminación. Sólo
en Alemania y E.E.U.U. los residuos de alta actividad son ubicados en emplazamientos
definitivos. En el resto de países generalmente se almacenan en piscinas,
dentro del recinto del reactor en el edificio de contención de las
centrales. En la actualidad no existe ningún sistema aceptable de eliminación.
El plutonio (Pu): en el ciclo nuclear se producen 5 isótopos de plutonio:
Pu-238, 239, 24O, 241 y 242. El uranio (U-238) usado en un reactor como combustible
nuclear una vez gastado y reprocesado se convierte en Pu-239 (residuo altamente
radiactivo), destinado a la fabricación de armamento nuclear, con el
que se realizan Pruebas Nucleares, tanto internas como externas, afectando
gravemente al Planeta.
El Pu es una de las sustancias más radiotóxicas que se conocen. Su período de semidesintegración más de 24.OOO años, permanece emitiendo radiaciones (especialmente alfa) durante decenas de miles de años, cuyos efectos perniciosos a la salud son conocidos (cáncer, mutaciones del código genético, etc.). Inhalar unas milésimas de miligramo pueden causar cáncer de pulmón después de un período de latencia de unos 2O años, milésimas de gramo pueden producir la muerte, en muy pocos años, y se calcula que la dispersión en el aire de un sólo gramo puede producir la muerte por cáncer de pulmón a más de un millón de personas.
ALTERNATIVAS ENERGÉTICAS
Hacia un mundo sin combustibles
fósiles
Según un estudio del Instituto de Medio Ambiente de Estocolmo (Suecia)
antes del 21OO la Humanidad puede abandonar por completo la quema de todos
los combustibles fósiles, así como eliminar la energía
nuclear, haciendo un uso mucho más eficiente de la energía,
con nuevas tecnologías, y un consumo menos depredador y más
racional, podremos paliar los cambios mucho más drásticos y
negativos a que nos puede obligar el cambio climático.
El despilfarro energético hoy día resulta más rentable
que el diseño de procesos energéticos más eficientes.
Según estudios recientes referentes al ahorro de energía sostienen
que con unos ajustes técnicos muy sencillos se podrían obtener
los mismos niveles de confort con la mitad de energía.
Una solución sería incentivar a las empresas de energías
renovables, construcción, electrodomésticos, alimentación,
automoción..., a acelerar sus programas de investigación y desarrollo
de nuevas tecnologías, menos contaminantes y más respetuosas
con el medio ambiente.
Pero paralelamente a esta revolución tecnológica es necesaria
una revolución mucho más profunda, una "revolución
social". Una revolución en nuestra escala de valores. Una revisión
de conceptos como "calidad de vida", "bienestar", "desarrollo",
"progreso"...
Cada uno de nosotros podemos ajustar la generación y la demanda de
energía. Las conexiones a la red general con una doble dirección
permiten volcar en ella los eventuales excedentes generados por las energías
renovables y cubrir al mismo tiempo los circunstanciales déficits ocurridos
por algún motivo (condiciones climatológicas adversas, averías...).
Éstas permiten obtener energía de una forma limpia y reducir
o evitar la dependencia de las compañías eléctricas.
Desde el Sector de la construcción y la vivienda
El mantenimiento energético de las actuales viviendas le está
costando al planeta el consumo del 50 % de la energía mundial, el 25
% equivaldría al sector del transporte, es decir, que el funcionamiento
urbano gasta el 75 % de la energía consumida en el planeta.
Desde el sector de la Construcción y la vivienda: Se puede trabajar
para frenar la contaminación medioambiental y el cambio climático
con los siguientes criterios:
Criterios de Arquitectura Bioclimática: Planificar las construcciones
en función de las condiciones climatológicas del entorno, utilizando
sistemas de aislamiento térmico y ventilación natural, y el
máximo aprovechamiento de la luz natural. Minimización, e incluso
eliminación (en algunos casos) del uso de sistemas artificiales de
iluminación, calefacción y refrigeración.
Criterios de eficiencia energética: Utilizando sistemas eficientes
y de bajo consumo: motores, electrodomésticos, bombillas de bajo consumo...,
y utilización de sensores de luz, temperatura, especialmente en edificios
públicos o de oficinas).
Criterios de suministro energético descentralizado y no contaminante:
Suministro eléctrico mediante paneles solares fotovoltaicos y agua
caliente sanitaria mediante colectores solares, con el apoyo eventual de sistemas
de cogeneración que cubran posibles déficits energéticos
por causas climatológicas. Se puede usar como apoyo, a los colectores
solares calderas de biomasa para la obtención de calefacción
y agua caliente sanitaria, recuperando calor para generar electricidad (cogeneración),
y a los paneles solares generadores eólicos dependiendo de zonas y
necesidades.
Fomento de las Energías
Renovables
Las experiencias recogidas en los últimos 20 años permiten enumerar
los aspectos que deberían ser modificados o correctamente considerados
para conseguir una importante cuota de consumo de esta energía en los
comienzos del siglo venidero:
Controles de calidad: De colectores solares y módulos exigentes: tanto
en conseguir mayores rendimientos, como en asegurar una inalterabilidad tal
que les permita alcanzar una vida útil de al menos 20 años con
mantenimiento mínimo.
Subvención gubernamental: Debería cambiar a créditos
subvencionados que el usuario podría amortizar con el propio ahorro
producido por la instalación.
Edificios de oficinas y otros servicios oficiales: Construidos incorporando
obligatoriamente la energía solar, al menos para el calentamiento de
agua sanitaria.
Educación ciudadana: Tendente a frenar el creciente consumo energético,
cambiando los hábitos sociales que favorecen este consumo.
Comparaciones de rentabilidad económica: De la energía solar
frente a otras energías convencionales, deben tenerse en cuenta los
enormes costes sociales y de prevención de riesgos (como el coste de
la protección de las centrales nucleares), de dichas energía
que suelen presentarse como más económicas que la energía
solar.
Normas de la edificación: Deberían contemplar la posibilidad
de una futura instalación solar, habilitándose superficies libres
convenientemente orientadas e incluso facilitar, mediante una preinstalación,
realizada ya en el momento de construirse un edificio o vivienda, el posterior
montaje de una instalación solar.
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