Barra

L'energia del futur i les seves aplicacions

Documento sin título

L'energia del futur i les seves aplicacions és una obra produida per Tibidabo Edicions, S.A. Ha estat dirigida pel Dr. Asiaín García, de la Universitat de Barcelona, contant al seu equip de treball amb el biòleg Josep Maria Busquets i el físic Joan Aragonès.

La finalitat de l'obra és aportar coneixements sobre les futures fonts d'energia i les seves aplicacions, descrivint les seves característiques bàsiques i explicant els diferents tipus d'energies alternatives que existeixen i d'altres de nova investigació recent.

Quan s'explica l'energia es tracta, també, el malgastament energètic que s'està duent a terme als darrers temps i es fa especial esment en els fenòmens altament negatius que comporta aquest malgastament, entre ells el canvi climàtic o el forat de la capa d'ozó.

Com a solució per pal·liar aquests efectes tan negatius per la Terra, a l'obra s'explica com podem obtenir energia eficientment en base a nous estudis en el camp de la biologia i de la física oferint alternatives energètiques mitjançant diferents tipus d'energies alternatives, el consum de les quals és menys nociu per al medi, com per exemple els biocombustibles o la producció d'hidrogen creat en base a bacteris creats genèticament:

"Els biocarburants són combustibles líquids o gasosos obtinguts o derivats dels éssers vius, concretament de la biomassa, és a dir, de la matèria o de la massa que forma el cos dels propis organismes".

Tant el vocabulari de l'obra, com les explicacions i l'estructuració temàtica, fan més comprensibles diferents fenòmens científics i ajuden a la concienciació sobre la importància de no malgastar energia i tractar de pal·liar el canvi climàtic i els devastadors efectes que comporta.

L'obra consta d'1llibre i 3 DVD on, per mitjà d'animacions i imatges reals, es complementen les explicacions que s'ofereixen al llibre.

 

El preu de l'obra és de 175 euros. (IVA i despeses d'enviament inclosos)

 

*El preu inclou un 15% de descompte per a Biblioteques Públiques.

ENERGIA

Es defineix l'energia de forma clàssica. Es descriuen algunes formes com l'energia cinètica i l'energia potencial. Es tracta el principi de conservació de l'energia mecànica mitjançant un exemple, així com el principi de conservació de l'energia d'una forma més general en intervenir forces de fregament. El balanç energètic es manté, això sí, introduint altres formes d'energia diferents a la mecànica.

 

FONTS D´ENERGIA

Es classifiquen les fonts d'energia en renovables i no renovables. Les energies no renovables provenen d'una banda dels combustibles fòssils: carbó, petroli i gas natural, i per una altra de l'energia nuclear. Se citen els inconvenients d'utilitzar aquest tipus d'energies i es defineixen les energies alternatives i renovables com la solar, l'eòlica, la hidràulica, la mareomotriu, i la geotèrmica entre unes altres.

 

NECESSITATS ENERGÈTIQUES.

Se citen l'Índia i la Xina com a països emergents amb un creixement econòmic per sobre de la mitjana i, per tant, amb major demanda energètica. S'explica com la societat haurà de distanciar-se de l'energia obtinguda mitjançant combustibles fòssils i invertir en investigació i desenvolupament de les energies renovables. Així mateix el IPCC, organització de científics independents que estudia el canvi climàtic, advoca per la reducció gradual de gasos d'efecte hivernacle.

 

ENERGIA SOLAR TÈRMICA

Es descriuen les formes d'aprofitar la radiació solar. L'energia solar tèrmica es pot classificar en funció de la temperatura aconseguida. Les instal·lacions de baixa temperatura mitjançant panells solars capten l'energia solar i s'utilitzen generalment per obtenir aigua calenta. En instal·lacions de mitjana i alta temperatura, com poden ser les centrals solars, es produeix electricitat. L'ús de l'energia solar tèrmica redueix l'emissió de gasos d'efecte hivernacle.

 

ENERGIA GEOTÈRMICA

Es descriu aquesta energia com la qual s'obté de la calor de l'interior de la Terra. Els recursos geotèrmics es classifiquen en: àrees hidrotèrmiques, magma i sistemes de roca calenta. Els recursos hidrotèrmics són els més utilitzats i d'ells s'obté aigua calenta i electricitat, fins al punt que països com Islàndia i Nova Zelanda utilitzen molt eficaçment aquest tipus d'energia.

 

ENERGIA SOLAR FOTOVOLTAICA

Encara que l'efecte fotovoltaic va ser descobert al segle XIX, no es va utilitzar fins a mitjan segle XX. Una cèl·lula voltaica és un semiconductor, generalment silici dopat, que en incidir llum sobre ell es produeix un corrent elèctric. Les instal·lacions fotovoltaiques s'utilitzen en edificis per autoabastir-se d'electricitat. Hi ha instal·lacions que a part de proveir-se d'electricitat estan connectades a la xarxa elèctrica. Existeixen també grans centrals fotovoltaiques. És una tecnologia encara cara i el rendiment de la cèl·lula de silici és baix. Actualment s'està experimentant amb altres materials aconseguint rendiments superiors encara que més cars.

 

ENERGIA EÒLICA

Es descriu aquesta energia com la qual aprofita l'energia cinètica del vent i la converteix en energia elèctrica. Els aparells encarregats d'aquest procés són els denominats aerogeneradors, que consten d'un rotor amb les seves pales i una góndola on es troba l'equip mecànic i elèctric. Existeixen dos tipus d'instal·lacions: les de baixa potència com, per exemple, l'electrificació rural i les d'alta potència, com són els parcs eòlics. Aquests utilitzen diversos aerogeneradors connectats elèctricament entre si. Es col·loquen en zones on el vent bufa a més de 6 m/s durant unes 2500 hores a l'any com a mínim. També ha de tenir la densitat de potència de vent adequada. S'han començat a construir centrals en el mar no lluny de la costa ja que tenen un rendiment energètic més elevat.

 

ENERGÍA HIDRÀULICA

S'introdueix aquesta energia com una energia renovable que es va començar a utilitzar per produir electricitat a la fi del segle XIX. En aquest tipus de centrals s'aprofita l'energia mecànica d'un salt d'aigua per obtenir energia elèctrica. Es descriuen diversos tipus de centrals: la hidroelèctrica de passada, on les turbines accepten el cabal d'aigua tal com ve, la d'embassament de reserva, on s'embassa una quantitat d'aigua mitjançant una o diverses preses, i les centrals de bombament, que consten de dos embassaments situats a diferent altura. Quan hi ha demanda d'electricitat es deixa caure l'aigua de l'embassament superior a l'inferior i quan la demanda decreix es bomba l'aigua fins a l'embassament superior.

 

ENERGIA NUCLEAR: FISSIÓ

Si es bombardeja un nucli d'urani-235 amb un neutró lent, el nucli d'urani s'escindeix produint-se dos nuclis, aproximadament de la mateixa massa i neutrons. A causa del defecte de massa que té lloc en la reacció es desprèn energia. És una reacció en cadena controlada la que té lloc en un reactor nuclear. En aquest l'energia alliberada en el procés de fissió apareix en forma de calor. S'utilitza un refrigerant que capta l'energia calorífica. Mitjançant un bescanviador de calor, l'energia tèrmica és transferida a l'aigua que circula a través d'un altre circuit. El vapor d'aigua produït mou una turbina que s'encarrega de moure a un generador produint-se electricitat.

 

ENERGIA DEL MAR: ONADES, CORRENTS I GRADIENT TÈRMIC.

Es descriuen dos mètodes per extreure energia de l'onatge: la de columna d'aigua oscilant coneguda també com OWC i l'altre mètode és el sistema de boies. En els dos mètodes es produeix electricitat. Es descriu una altra forma d'obtenir energia del mar, que és aprofitar els corrents existents en ell. És una tecnologia en fase d'experimentació, on l'energia seria extreta usant turbines d'aigua semblants als aerogeneradors. La quantitat d'energia elèctrica dependrà de la velocitat del corrent i del diàmetre del rotor. Es descriu la forma d'extreure energia de l'oceà aprofitant la diferència tèrmica existent entre les aigües superficials i les aigües a una certa profunditat.

 

ENERGIA MAREOMOTRIU

La rotació de la Terra, la força de gravitació de la Lluna i, en menor mesura, la del Sol són les causes de les marees. Hi ha diàriament dues marees altes o pleamars i dues marees baixes o baixamars. Existeixen costes on l'efecte de marea és molt acusat, sent llocs ideals per construir centrals mareomotrius. Funcionen de manera semblada a una central hidroelèctrica. Es tanca una badia o estuari amb un dic. Amb la marea alta es crea un desnivell entre l'aigua exterior i interior, l'aigua exterior flueix a través de turbines instal·lades en el dic fins que s'igualen tots dos nivells. Amb la marea baixa s'inverteix el procés.

 

HIDROGEN

Energèticament parlant, el mètode més eficient per obtenir hidrogen és a partir del gas natural, per reacció entre el metà i el vapor d'aigua. Un altre mètode és mitjançant la electrolisis de l'aigua. Potser l'hidrogen sigui el combustible del segle XXI. Existeixen prototips d'automòbils híbrids que, a voluntat del conductor, funcionen amb gasolina o amb hidrogen, que generalment es troba en estat líquid o comprimit. El problema actual d'aquesta tecnologia és la seva poca autonomia.

 

LA PLUJA ÀCIDA.

En cremar combustibles fòssils en centrals tèrmiques, fàbriques i vehicles d'automoció s'emeten a l'atmosfera òxids de nitrogen i de sofre que reaccionen amb l'oxigen i el vapor d'aigua atmosfèrics, produint àcids com el nítric i el sulfúric que, en caure en la superfície terrestre en forma de pluja, neu o boira, ocasionen una sèrie de danys en la vegetació, en edificis, en monuments, en ponts…

 

L’OZÓ I LA CONTAMINACIÓ

Aquesta molècula, formada per tres àtoms d'oxigeno, es troba en l'estratosfera, formant una capa que ens protegeix de la radiació ultraviolada procedent del Sol. També es troba en la troposfera. La causa de l'ozó troposfèric es deu principalment als òxids de nitrogen emesos per les indústries i pels tubs de fuita dels automòbils. Altes concentracions d'ozó troposfèric són perjudicials per a la salut, ja que ataquen les vies respiratòries, i també produeixen dany en la vegetació i en els cultius.

 

LES PILES DE COMBUSTIBLE

Inventada al segle XIX no va ser utilitzada fins a passada la meitat del segle XX en els viatges espacials. A partir dels anys 90 es va investigar més en aquesta tecnologia. En una pila de combustible es transforma l'energia química d'una combustió en energia elèctrica. En general es combinen hidrogen i oxigen per formar aigua. Les piles de combustible es classifiquen generalment pel tipus d'electròlit utilitzat. Tenen eficiències del 40% i poden utilitzar-se en sistemes i plantes de producció d'energia elèctrica, en dispositius electrònics, etc., però destaquen en el sector de transports. Alguns autobusos de grans urbes ja funcionen amb aquesta tecnologia.

 

SUPERCONDUCTIVITAT

Aquest fenomen físic va ser descobert en 1911, en estudiar la conducció de metalls prop del zero absolut de temperatura. Els superconductors actuals, de tipus II, estan formats per aliatges metàl·lics capaços de suportar camps magnètics elevats sense destruir el seu estat superconductor. A partir de 1986 es descobreixen els superconductors d'alta temperatura crítica, superior als 100 K en alguns casos. La tecnologia de *superconductores de baixa temperatura crítica està molt desenvolupada i s'utilitzen en tècniques de dignòstic per imatge, com la ressonància magnètica nuclear, en la construcció de Tokamaks, en prototips de trens de levitació magnètica, etc.

 

TRANSPORT D´ELECTRICITAT

Amb la finalitat de minimitzar les pèrdues per efecte Joule en el transport d'electricitat s'eleva la tensió del corrent elèctric. Així en les centrals productores d'electricitat s'utilitzen transformadors d'alta que s'encarreguen d'elevar la tensió del corrent altern. Les línies d'alta tensió entre 100 i 400 kV són les encarregades del transport. Abans que l'electricitat arribi als centres de consum Existeixen una sèrie de subestacions que mitjançant transformadors de baixa s'encarreguen de reduir la tensió. Cal pensar que en les nostres llars tenim un voltatge altern eficaç de 220 V.

 

CARBÓ, FUEL I GAS NATURAL. CENTRALS TÈRMIQUES.

Es descriu el funcionament d'una central tèrmica que empra algun tipus de combustible fòssil, com el carbó, el petroli i el gas natural, per produir energia elèctrica. Es remarca el perill de l'emissió de gasos: diòxid de carboni, òxids de nitrogen i de sofre, en cremar combustibles fòssils, i es descriuen les solucions per minimitzar el perill d'aquestes emissions i augmentar el rendiment de les centrals. Tals solucions passen per les centrals de cicle combinat, les de de gasificació integrada, i pel segrest del diòxid de carboni.

 

CENTRALS DE CICLE COMBINAT.

Per augmentar el rendiment de les tèrmiques i generar una energia més neta es van començar a utilitzar les centrals de cicle combinat. En aquest tipus de centrals es produeix energia elèctrica de dues formes. Es crema el combustible i mou una turbina de gas connectada a un generador. Els gasos de fuita de la turbina es canalitzen fins a arribar a una turbina de vapor connectada a un generador. Existeixen unes noves centrals denominades de gasificació integrada amb cicle combinat. El combustible es gasifica obtenint-se un gas sintètic denominat syngas, que es desulfura. Una vegada es té el gas net s'envia a la part de cicle combinat. S'aconsegueix així reduir en un elevat percentatge l'emissió d'òxids de sofre.

 

RESIDUS NUCLEARS

Els residus nuclears de baixa activitat o els de mitja activitat i vida curta poden emmagatzemar-se en sistemes construïts en la superfície terrestre o a poca profunditat. Es construeixen cel·les de formigó enterrades en les quals s'introdueixen els residus i es recobreix la zona amb terra argila i capes impermeables. Per guardar els residus d'alta activitat procedents de les centrals nuclears s'utilitza l'anomenat emmagatzematge geològic profund. Els residus s'introdueixen en contenidors d'acer i es dipositen horitzontalment en galeries excavades a més de 400 metres de profunditat.

 

TIPUS DE REACTORS NUCLEARS

Els reactors de fissió es poden classificar segons el tipus de neutrons que utilitzen en ràpids i tèrmics. Aquests últims es classifiquen al seu torn, segons el tipus de moderador utilitzat, en reactors d'aigua lleugera, d'aigua pesada i de grafit. El tipus de reactor més utilitzat és el reactor d'aigua a pressió o PWR. Un altre tipus de reactor és el d'aigua en ebullició o BWR. Un altre tipus és el d'aigua pesada presuritzada PHWR. Els reactors RBMK molt utilitzats a Rússia són els RBMK que empren grafit com a moderador i aigua en ebullició com a refrigerant. Els reactors ràpids no tenen moderador i empren com a combustible plutoni-239. Són els anomenats “breeders”, ja que en la reacció en cadena es produeix més plutoni del que necessita per mantenir-se.

 

REACTORS DE FUSIÓ

Es descriuen les dificultats existents per aconseguir i mantenir una reacció de fusió. A causa de la força de repulsió elèctrica cal dotar als nuclis d'energia suficient per vèncer-la i aconseguir així que es fusionin. Això s'aconsegueix escalfant. Les temperatures són tan altes que la matèria es troba en estat de plasma. Els reactors nuclears més utilitzats són els Tokamak, que utilitzen un camp magnètic per confinar el plasma i un altre per donar-li forma i estabilitat. Se citen altres mètodes d'obtenir la fusió i el projecte ITER, basat en un Tokamak, que podrà mantenir la fusió del deuteri i del triti i provarà tecnologies que serviran per als reactors comercials. Els reactors de fusió seran molt menys radioactius que els actuals de fissió i serà una energia que no emetrà gasos d'efecte hivernacle

 

QUÈ ENTENEM PER BIOENERGÈTICA I BIOCARBURANTS?

Introducció a la bioenergètica o utilització dels éssers vius o organismes com a font alternativa d'energia. Introducció al concepte de biocarburant com a resultat de la producció d'energia per part dels éssers vius i/o derivats obtinguts a partir d'éssers vius.

 

QUÈ SÓN ELS BIOCARBURANTS? BIOETANOL I BIODIÈSEL.

Explicació del concepte de biocarburant i el seu origen biològic. En aquest capítol s'expliquen les diferències d'obtenció i d'ús entre el bioetanol i el biodièsel, que són, amb diferència, els biocarburants més utilitzats.

 

AVANTATGES DELS BIOCOMBUSTIBLES.

En aquest tema, a més d'estudiar-se els estalvis en emissió de gasos d'efecte hivernacle s'analitzen altres estalvis en el reciclatge de residus durant el procés d'elaboració dels biocarburants per part de bacteris o fongs.

 

PROBLEMES DELS BIOCOMBUSTIBLES

Aquí s'analitza la incertesa del cost ambiental que suposa el cultiu a gran escala dels vegetals més utilitzats per a la producció de biocarburants. S'afegeix el problema de la distribució del bioetanol que no pot transportar-se per oleoductes sinó en camions, amb el corresponent impacte ambiental.

 

ELS BIOCOMBUSTIBLES A ESPANYA

Descripció de l'ús de biocombustibles a Espanya, perspectives de producció en la propera dècada, enumeració del nombre i tipus de plantes de biocarburants que hi ha a Espanya, així com el tipus de conversió bioenergètica que es duu a terme.

 

ÚS D’ORGANISMES I MICROORGANISMES DE DISSENY PER PRODUIR BIOENERGIA

La “creació” de microorganismes de “disseny”, amb genomes obtinguts per tècniques d'enginyeria genètica sembla cada dia més factible. És un tema de màxima actualitat com a agents molt prometedors en la generació de bioenergia. S'introdueixen els avanços fets en aquest terreny per Craig Venter, un dels pares de la genòmica.

 

FUTUR I

Es descriuen projectes que en un futur poden ser viables per augmentar el rendiment de determinades energies. En el cas de la solar seria la seva captació fora de l'atmosfera utilitzant tecnologia espacial. En el cas de l'energia eòlica existeixen projectes de captar els enormes vents existents en la troposfera superior. Un de tals projectes és el d'un rotor farcit d'heli i proveït de generadors. L'electricitat seria portada a terra mitjançant cables conductors.

 

FUTUR II

Es descriuen diversos projectes nanotecnològics, per incrementar l'eficiència de les cèl·lules fotovoltaiques de silici. Un seria utilitzar punts quàntics de seleniur o *telururo de plom. Ja s'ha aconseguit que un fotó ultraviolat en incidir sobre un punt quàntic alliberi set electrons en lloc d'un, com en la cèl·lula de silici. Altres científics advoquen per usar cèl·lules fotovoltaiques formades per diseleniuri de gal·li, indi i coure. Se citen també els *nanogeneradores i altres aspectes de la fusió nuclear, com l'utilitzar la reacció deuteri-heli-3, en lloc de la reacció deuteri-triti, per minimitzar la radioactivitat induïda. A causa que aquest últim és molt poc abundant a la Terra, però sí que ho és en la Lluna existeixen projectes per explotar aquest recurs en un futur no gaire llunyà.