Els recursos enregètics, Apuntes de Tecnología

¡Descarga Els recursos enregètics y más Apuntes en PDF de Tecnología solo en Docsity! TEMA 2 Els Recursos Energètics 1. LES FONTS D’ENERGIA - Fonts d’Energia: són recursos naturals dels quals es pot obtenir energia per produir calor, llum i potència. - Aquests recursos són a la natura, els hem de transformar si volem usar-los per al nostre profit. 1.1. LES FONTS D’ENERGIA AL LLARG DEL TEMPS - Sang: animal, muscular - Eòlica + Hidràulica: molins vent, sínies - Màquina vapor: carbó veg i carbó mineral - Motor explosió: petroli 1.1. LES FONTS D’ENERGIA AL LLARG DEL TEMPS I - Pobles del paleolític: utilitzaven l’energia muscular i aprofitaven l’energia del Sol. Més endavant feren servir la força dels animals i obtingueren foc mitjançant combustibles vegetals. - Del neolític fins al segle XIX, les fonts d’energia utilitzades eren la fusta i els residus vegetals o animals per satisfer les necessitats d’energia primàries: llum i calor. 1.1. LES FONTS D’ENERGIA AL LLARG DEL TEMPS II - Revolució industrial (s.XIX): augment demanda d’energia Utilització de la màquina de vapor en el transport. Mecanització del treball manual. El carbó vegetal és substituït pel carbó mineral, amb més poder calorífic i més abundant. - Els avenços tècnics i la invenció del motor d’explosió que requereix de benzina (derivat del petroli). Recurs energètic fonamental: el petroli. Més poder calorífic. Absència de residus sòlids. Facilitat d’extracció i transport. Molt més econòmic. 1.1. LES FONTS D’ENERGIA AL LLARG DEL TEMPS III Dècada dels anys 70: El petroli representa el 50% del consum mundial d’energia. Any 1973: guerra araboisraeliana. Es triplica el preu (crisi de l’energia). Gas natural: després de la Segona Guerra Mundial s'estén el seu ús (combustible domèstic i industrial). 1942: desenvolupament de l’energia nuclear. S.XX. Problemes derivats de l’explotació de recursos: Crisi del petroli. Esgotament de recursos. Accidents nuclears i residus radioactius. S. XXI. Nous reptes: estalvi d’energia i ús de recursos renovables. 1.1. LES FONTS D’ENERGIA AL LLARG DEL TEMPS IV 1 bar = 105 Pa → p en Pa 1 atm = 101300 Pa → T en Cº - Capacitat calorífica (C): és la quantitat de calor que ha de rebre una substància per elevar la seva temperatura en 1ºK o 1ºC. - La quantitat d’energia tèrmica (Q) necessària per elevar la temperatura d’un cos des d’una temperatura inicial T1 fins a una final T2: Ce és la calor específica del cos, que és la capacitat calorífica per unitat de massa i es mesura en kJ/kg.ºC o kcal/kg.ºC 1 cal = 4,1868 J 2.3. LA LLENYA I EL CARBÓ VEGETAL La meitat de la humanitat depèn de la llenya per escalfar-se, il·luminar-se i cuinar. El carbó vegetal s'obté per piròlisi, és a dir una combustió parcial de la llenya amb poca presència d’oxigen 2.4. EL CARBÓ MINERAL ANTECEDENTS Fou el primer combustible fòssil que va utilitzar la humanitat. Va ser molt important en la Revolució Industrial: Maquinària industrial Transport marítim i ferroviari Enllumenat de les ciutats Mitjans s.XX: el consum disminueix a favor del petroli. Crisi energètica dels anys ’70 i encariment del petroli: es revitalitza el seu consum. Actualment: augment d’extraccions i consum (en tots els PEN dels països industrialitzats) ORIGEN I PROPIETATS És el 1r combustible fòssil en reserves. El carbó és format per C, H, O, N i altres components com ara sílex, òxids de ferro, sofre, etc. Origen: boscos de fa milions d’anys (període carbonífer): clima humit i càlid que va afavorir el creixement vegetal i la descomposició de la matèria orgànica. - Aquests boscos van quedar submergits sota enormes quantitats de sorra i roques. - La fusta d’aquests boscos es va transformar en carbó mineral degut a la: proliferació vegetació llenyosa; descomposició lenta de la matèria orgànica en absència d’oxigen (metabolisme anaeròbic als aiguamolls); pressió i temperatura elevades. CLASSIFICACIÓ - Torba: 60% de carboni i molta humitat i menor pc. Es pot comprovar l’estructura fibrosa vegetal. Es troba a zones pantanoses (torberes). Gairebé sempre, reservada a l’ús domèstic. - Lignits: Carbons d’origen recent (100·106 d’anys). 70% C, 30% aigua. Produeixen moltes cendres en cremar-los (elements volàtils). Explotació a cel obert. - Coc (hulla): Són carbons bituminosos (betum és una barreja de substàncies orgàniques que conté S i metalls pesats) d’elevat contingut en carboni >85% i gran pc. S’usen de reductors als alts forns (obtenció del Fe). Impermeable. Més comercialitzat. De destil·lació fàcil (gas ciutat). - Antracita: Són els més antics. Els de major pc, 90-95% de carboni. Aspecte brillant, crema amb flama i genera poca cendra (menys impureses). Es troben en jaciments profunds. Més difícil extracció. Torba: pc= 21-22 MJ/kg Lignit: pc= 28-29 MJ/kg Coc: pc= 29-31 MJ/kg Antracita: pc= 34-35 MJ/kg PROCÉS D'OBTENCIÓ - Explotació subterrània: coc i antracita És el mètode tradicional d’extracció de carbó. Consisteix a excavar pous verticals fins arribar a la veta. Seguidament s’obren galeries en la seva direcció. El mineral es desprèn de la veta i es recull mecànicament en vagonetes o en cintes transportadores, que el porten a la superfície. A peu de mina, el carbó es tritura, es renta i es classifica i es transporta als llocs de consum. El treball és costós i perillós i necessita mà d’obra especialitzada. Risc d’accidents i malalties (silicosi) Presència del gas combustible grisú (metà i altres gasos com l’età i el CO2) que desprèn el carbó; exigeix ventilació. - Explotació subterrània: - Explotació a cel obert: torba i lignit Gasificació del carbó: Consisteix a introduir un agent gasificant a la veta del mineral. En resulta gas de carbó que s’utilitza com a combustible. Permet l’explotació de jaciments que, per la seva configuració i localització, tècnicament o econòmicament no poden ser explotats mitjançant mètodes tradicionals. ÚS ❖ Com a combustible d’ús general: ➢ Centrals tèrmiques (utilitzat directament sense cap transformació). ❖ Procés de destil.lació seca (se sotmet el carbó a una alta temperatura) i se n’obté: ➢ Coc: utilitzat en la indústria siderúrgica ➢ Gas ciutat: combustible d’utilització domèstica ➢ Productes químics: olis lleugers i quitrà (plàstics, fertilitzants, explosius, medicaments, perfums, etc) ❖ Procés de gasificació (reacció del carbó roent amb vapor d’aigua) s’obté el: ➢ Gas de síntesi, utilitzable directament com a combustible o per l’obtenció de Gas natural sintètic o Hidrocarburs (líquids i gasosos) 2.5. EL PETROLI ANTECEDENTS Petroli brut: líquid de color variable, des del terrós fins al negre, lleugerament menys dens que l’aigua, d’aspecte oliós, de viscositat variable, encara que normalment alta i d’olor desagradable. És constituït per una barreja d’hidrocarburs de composició diversa i en proporcions molt variables, segons el jaciment de procedència. Conté quantitats petites de sofre, oxigen i nitrogen. 2.6 GAS NATURAL ORIGEN És format bàsicament per metà CH4 (com a mínim en el 70%) barrejat amb altres gasos (età, propà, el butà) en proporcions variables. Es troba formant bosses, sol o associat amb el petroli, cobertes per capes impermeables que n’impideixen la propagació. DISTRIBUCIÓ ❖ Procés semblant al del petroli: Localització i extracció (a terra o sota el mar). ❖ És processat per eliminar impureses (pols, sorra, aigua i altres gasos). ❖ Transport als centres de consum: ➢ Gasoductes: en estat gasós a 3,65-7,1 MPa ➢ Vaixells metaners. ➢ Vaixells metaners: més costós (El gas se sotmet a un procés de Productes tractats en la indústria petroquímica Producte Aplicació Plàstics Contenidors de productes, etc Fibres sintètiques Indústria tèxtil Detergents Per rentar roba i altres Cautxú sintètic Fabricació de pneumàtics Dissolvents i pintures Dissolvents i pintures Insecticides Insecticides Explosius Explosius Productes farmacèutics Productes farmacèutics refredament en diverses etapes, fins obtenir-ne gas natural liquat (GNL). ■ Densitat: 455 kg/m3 ■ Reducció del seu volum unes 600 vegades ■ Temperatura -163ºC per mantenir-lo a pressió atmosfèrica ❖ Distribució des de la planta als llocs de consum: xarxa de canonades. APLICACIONS ➢ La indústria, el comerç i l’habitatge ➢ Les centrals tèrmiques de cicle combinat ➢ Les instal·lacions de cogeneració ➢ La indústria petroquímica DEFINICIÓ ➢ S’anomenen així els hidrocarburs naturals i també els fabricats exclusivament per al seu ús com a combustibles. ➢ Un gas combustible és capaç de reaccionar amb l’oxigen de l’aire de forma ràpida i amb alliberament de calor. ➢ Per a la seva combustió es necessita barrejar amb l’oxigen de l’aire en proporcions adequades, i aplicar-hi un focus d’ignició (guspira o flama) que n’iniciï la cambustió (els cremadors). CLASSIFICACIÓ ➢ Primera família: Gas ciutat o manufacturat ○ S’obté a partir del carbó (gas de síntesi), petroli (craqueig) o del gas natural (reformació). ○ Poder calorífic en CN entre 17 i 23 MJ/m3 ○ Consum domèstic. ○ Es distribueix en canonades. ➢ Segona família: Gas natural i aire propanat (barreja d’aire amb propà) ○ Poder calorífic en CN entre 40 i 52 MJ/m3 ○ Es distribueixen en canonades. ➢ Tercera família: GLP (butà i propà) ○ Poder calorífic en CN entre 94 i 120 MJ/m3 ○ Es distribueix en bombones o dipòsits en estat líquid. SEGURETAT ➢ El gas natural i els GLP no fan olor. ➢ S’odoritzen amb THT (tetrahidrotiofè) o metil mercaptà per a detectar-ne les possibles fuites. 3. ENERGIA NUCLEAR 3.1 INTRODUCCIÓ ➢ L’energia nuclear prové dels canvis en el nucli dels àtoms ➢ L’energia química prové dels canvis en els enllaços moleculars. ➢ Segon el model atòmic de Rutherford l’estructura dels àtoms està formada per un nucli (protons i neutrons) i, girant al voltant, electrons en diferents òrbites el.líptiques (segons el nombre i el nivell d’energia). El nucli atòmic conté tota la càrrega positiva i quasi toda la massa de l’àtom. ➢ Perquè l’àtom tingui càrrega neutra ha de tenir protons = electrons i 8 e- a la capa de valència. ➢ Un àtom d’un element químic es caracteritza pel nombre de protons que té el seu nucli: tots els àtoms amb el mateix nombre de protons en el nucli són àtoms del mateix element. ➢ Nombre atòmic (Z): el nombre de protons que un àtom d’un element té en el seu nucli. ➢ Nombre màssic (o massa atòmica) A: el nombre de protons més el de neutrons d’un àtom. Un element es pot presentar amb diferents nombres màssics. ➢ Isòtop: són els àtoms del mateix element que difereixen en el nombre de neutrons i, per tant, també en el nombre màssic (A). 3.2 RADIOACTIVITAT ➢ Radioactivitat natural: és el fenomen de la transformació nuclear espontània. ➢ Els isòtops radioactius no són estables perquè no tenen el nombre màssic que els correspon (nº de protons), de forma que el nucli de l’àtom es transforma en un altre sense cap ajuda exterior. Els materials en què es ❖ Aquestes reaccions desprenen molta energia; es donen espontàniament al Sol i a les estrelles. ❖ Problema: calen grans quantitats d’energia per iniciar la reacció, ja que els nuclis tenen càrrega elèctrica positiva i es repel.leixen quan s’acosten. ❖ Es poden obtenir reaccions de fusió escalfant les partícules a temperatures del voltant de 100.106 ºC. En aquestes condicions els electrons i nuclis dels àtoms no es troben en un dels tres estats normals de la matèria, sinó que formen un conglomerat de partícules carregades positivament i negativament,sense una estructura atòmica que les lligui (quart estat de la natura o plasma). ❖ El problema és com aïllar el plasma a una temperatura tan alta. La solució tecnològica més viable passa per confinar el plasma a l’interior de potents camps magnètics. FISSIÓ ❖ Les reaccions de fissió consisteixen a provocar la ruptura del nucli d’un àtom amb l’impacte d’un neutró. ❖ Reacció en cadena: per cada nucli escindit s’emeten dos o tres neutrons que poden escindir altres nuclis d’urani, i així successivament. ❖ D’aquesta manera, iniciada la reacció nuclear, es pot mantenir per si mateixa sempre que es disposi d’una quantitat d’àtoms d’urani suficients (massa crítica). ❖ Per exemple, la fissió de l’U235: ❖ En comptes de Ba i Kr poden aparèixer altres elements (Xn, Rn, Cs, Rb, I) ❖ Aquesta gran quantitat d’energia obtinguda es pot alliberar: ➢ Instantàniament, de manera sobtada (bomba atòmica) ➢ Lentament i de forma controlada (reactor nuclear) ❖ Reactor nuclear: és un sistema per produir i controlar reaccions en cadena sostingudes de manera que permetin aprofitar l’energia tèrmica obtinguda. 3.5. OBTENCIÓ I ENRIQUIMENT DELS COMBUSTIBLES NUCLEARS ❖ Combustibles nuclears: són els elements que poden produir reaccions nuclears de fusió i fissió, energèticament aprofitables. ❖ Reaccions de fusió: el combustible utilitzat és el deuteri i el triti, que són isòtops de l’hidrogen, un element molt abundant a la natura. ❖ Reaccions de fissió: el combustibles utilitzats són l’urani 235, el plutoni 239 i l’urani 233. ❖ Només es troba a la natura l’U235. El Pu239 i l’U233 s’originen en els reactors nuclears a partir de materials fèrtils: l’U238 i el Th232. ❖ Materials fèrtils: els materials que amb reaccions nuclears de captura i canvi radioactiu es converteixen en materials fissibles. ❖ Hi ha reactors que utilitzen com a combustible l’urani natural, que està format per un 99,27% d’U238, un 0,72% d’U235 i la resta per U234. ❖ La majoria de reactors comercials necessiten per al seu funcionament l’urani enriquit, en el qual la proporció d’U235 ha augmentat el 3 o 4%. ❖ Localització dels jaciments d’urani: és fàcil, gràcies a la radioactivitat natural dèbil que emeten. Moltes explotacions són a cel obert, i el mineral s’extreu amb força facilitat. ❖ Per obtenir urani natural, el mineral se sotmet a una sèrie de transformacions que formen part del que se’n diu cicle del combustible, per separar l’òxid d’urani del mineral. ❖ Els processos d’enriquiment, per obtenir urani enriquit, són complexos i molt costosos. ❖ Materials fèrtils: els que amb reaccions nuclears de captura i canvi radioactiu es converteixen en materials fissibles. 4. IMPORTÀNCIA ECONÒMICA DELS RECURSOS ENERGÈTICS 4.1. CONSUM ENERGÈTIC ❖ Els combustibles fòssils van ser el motor de la revolució industrial, van propulsar l’expansió econòmica després de la Segona Guerra Mundial i continuen sent la font d’energia primària de la major part de la indústria i el transport. ❖ Petroli, gas i carbó: 90% de la producció energètica ❖ Centrals nuclears, força hidràulica i altres: 10% ❖ Consum d’energia al món: ➢ Països desenvolupats: 25% població, consum 70% combustible fòssil ➢ Països tercer món: 50% població, fusta, carbó vegetal i fems ➢ OCDE: 17% població, consumeix més del 50% de l’energia ➢ EUA: menys 5% població, consumeix un 25% de l’energia mundial 4.2. DISTRIBUCIÓ ENERGÈTICA ❖ Carbó: s’acostuma a utilitzar als països productors, pel cost afegit que representa el transport. ❖ Països grans productors de petroli i gas (Algèria, Líbia, països Orient Mitjà, Indonèsia, Mèxic...): per l’escàs desenvolupament i la seva baixa capacitat de refinament i consum, són exportadors de petroli cru. ❖ Producció i consum d'energia en gràfics. 5.2. PLUJA ÀCIDA ❖ Els òxids de sofre (SOx) i de nitrogen (NOx) són contaminants perillosos que s’introdueixen a l’atmosfera quan es cremen combustibles fòssils. ❖ A l’atmosfera entren en contacte amb vapor d’aigua, llum i oxigen i es transformen en àcid sulfúric i àcid nítric (H2SO4 i HNO3) en contacte amb vapor d’H2O, llum i O2. ❖ Quan aquests àcids són arrossegats per la pluja o els flocs de neu es produeix la pluja àcida, que provoca un augment de l’acidesa dels llacs, dels rius i dels sòls. També poden caure en forma de partícules seques (deposició seca). ❖ La deposició pot ser: ➢ Deposició seca: contamina la rodalia del focus emissor. ➢ Deposició humida: contamina centenars de quilòmetres. ❖ La pluja no contaminada és de naturalesa àcida, amb un PH de 5,6 pel diòxid de carboni que conté. ➢ Països industrialitzats: la contaminació fa augmentar l’acidesa cent vegades el nivell natural. ➢ OCDE: PH anual de 3,5 en alguns països. CONSEQÜÈNCIES ❖ Afecta greument la vida de les espècies animals i vegetals dels llacs i dels boscos on cau. ❖ Facilita la lixiviació (separació, extracció) dels nutrients bàsics del sòl i del subsòl (P, Ca, Mg) i priva els arbres i la resta de vegetació d’aquests elements vitals. ❖ Activa la diferenciació de metalls pesants com el Cd, Al i Hg i fa que s’introdueixin a les aigües superficials i subterrànies i les contamina. ❖ Erosiona la pedra i els metalls. ❖ Afecta edificis, monuments i escultures. ❖ La normativa europea obliga a utilitzar combustibles amb menys contingut de S i tecnologies més respectuoses amb el medi ambient. ❖ Central tèrmica d’Andorra (Terol) instal·lada en 1981. ❖ P = 1050 MW ❖ Lignit amb un 7 % de S ❖ Té filtres que eliminen el 90% de SO2 instal·lats en 2008 ❖ Aquest any 2023 s’ha desmantellat. 5.3. BOIRES FOTOQUÍMIQUES. ❖ La boira fotoQ es forma en certes condicions atmosfèriques: inversió tèrmica i vent en calma. ❖ Es crea sobre les ciutats una cúpula d’aire calent carregada de partícules contaminats (fums de cotxes, indústries, centrals tèrmiques, etc. que queda retinguda i no s’aixeca. ❖ Contenen molts contaminants: SO2, NO2, hidrocarburs, CO, Pb i metalls pesants, O3, compostos orgànics… ❖ Aquests contaminants primaris sovint es combinen a l’atmosfera i en formen de secundaris. ❖ Malalties provocades per la pol·lució: conjuntivitis, sinusitis, asma, mal de coll. 5.4. CONTAMINACIÓ RADIOACTIVA ❖ Avantatge: les centrals nuclears no generen gasos contaminants i no contribueixen a la pluja àcida ni a l’efecte hivernacle. ❖ Inconvenient: el combustible que s’utilitza i els residus que generen són radioactius i emeten radiacions perilloses per a les persones, els animals i les plantes. ❖ Una central genera 33000 kg de combustible irradiat cada any, radioactiu durant milers d’anys. ❖ Les centrals nuclears funcionen sota mesures de seguretat estrictes per assegurar-ne el control en les condicions més desfavorables però el risc d’accident nuclear hi és. ❖ Gestió de residus: no està solucionat, de moment es desen a les piscines de la central en piscines i posteriorment en cementiris nuclears. ❖ Accident de Txernòbil (any 1986): ➢ 3.900.000 km2 afectats. ➢ 200.000 treballadors afectats. ➢ 350.000 persones desplaçades. ➢ 30.000-60.000 víctimes mortals relacionades amb l’accident. ❖ Accident de Fukushima (any 2011): ➢ L’11 de març després d’un terratrèmol i un tsunami la central va patir greus desperfectes i és tancada.