Tipos y fuentes de energía

Marta Izquierdo, alumna de la Universidad Autónoma de Madrid y miembro colaborador de Nusgrem, nos trae este artículo sobre los diferentes tipos de energías, sus ventajas e inconvenientes.

La energía constituye una demanda social que tiene múltiples usos: doméstico (suministro de agua potable, iluminación, salud, climatización, ocio…), industrial (producción de bienes…) y de transporte (público, particular…). Cuanto más desarrollada está una sociedad, más dependiente de la energía se vuelve. En la siguiente tabla se muestran las toe (tonelada equivalente de petróleo, es decir, energía liberada al arder una tonelada de petróleo) per cápita y por año de varios países con diferente nivel de desarrollo para ilustrar este dependencia.

Figura 1: toe/cápita y año consumidas en países con diferente grado de desarrollo.
Figura 2: Distribución de la energía producida en la Península Ibérica en 2016. (Fuente: Red Eléctrica Española).

Las fuentes de energía son sustancias, materiales y fenómenos a partir de los cuales se puede producir energía en una cantidad suficiente. La energía producida en la Península Ibérica en 2016 procede de diferentes fuentes de energía, tal y como se muestra en la figura 2. Se dividen en:

  • Renovables: son recursos naturales inagotables, como por ejemplo el Sol, el viento, el agua, el hidrógeno, el calor terrestre o la biomasa.
  • No renovables: son recursos naturales limitados, como el carbón, el gas natural, el petróleo o el uranio.

Energías utilizadas en la actualidad

Las principales fuentes de energía que constituyen el sistema energético son las siguientes:

  • Energía nuclear de fisión (no renovable): Se basa en bombardear con neutrones térmicos un núcleo atómico pesado para dividirlo en núcleos más ligeros y liberar energía. Esta energía se aprovecha para hervir agua que mueve una turbina y genera electricidad.
Figura 3: Reacción nuclear de fisión del Uranio-235.

VENTAJAS: Ausencia de emisión de gases de efecto invernadero, obtención de una gran cantidad de energía a partir de una pequeña cantidad de combustible e independencia de variables atmosféricas.
INCOVENIENTES: Producción de residuos radiactivos que deben ser sellados, escasa posibilidad de regulación de la producción de energía y requerimiento de una gran inversión en seguridad.

Figura 4: Tipos de reactores nucleares (a la izquierda el de agua a presión y a la derecha el de agua en ebullición).
  • Combustibles fósiles (no renovable): Se emplea la combustión de carbón, petróleo o gas natural para hervir agua, generándose el vapor que mueve una turbina, produciendo así la electricidad.
Figura 5: Esquema de funcionamiento de una central térmica.

VENTAJAS: Centrales y materias primas más baratas.
INCOVENIENTES: Emisión de gases de efecto invernadero, lluvia ácida, alteración de los ecosistemas fluviales debido a los vertidos de agua caliente, bajo rendimiento y reservas limitadas.

  • Ciclo combinado (no renovable): Consiste en quemar gas natural en una cámara de combustión y usar estos gases calientes ya turbinados para hervir agua y hacer pasar este vapor por una segunda turbina, de forma que ambas generan energía eléctrica.
Figura 6: Esquema de funcionamiento de una central térmica de ciclo combinado.

VENTAJAS: Alta eficiencia, gran capacidad de regulación, menores costes de explotación y menores emisiones que una central térmica convencional.
INCOVENIENTES: Emisión de gases de efecto invernadero, lluvia ácida, alteración de los ecosistemas fluviales debido a los vertidos de agua caliente, reservas limitadas y gran gasto de agua.

  • Cogeneración (no renovable): Se basa en aprovechar el calor residual generado en diversos procesos industriales para hervir agua y mover una turbina que produce energía eléctrica. Es una energía que reutiliza el calor que se hubiera perdido y le otorga una segunda vida.

VENTAJAS: Rendimiento muy alto, extremadamente segura y larga vida de servicio.
INCOVENIENTES: Puesta en marcha lenta, baja relación electricidad/calor y alto coste de mantenimiento.

  • Energía eólica (renovable): Utiliza el movimiento del viento en superficie para hacer girar un aerogenerador, que transforma la energía mecánica en eléctrica gracias a una turbina.
Figura 7: Esquema de funcionamiento de una central eólica.

VENTAJAS: Emisión nula de gases de efecto invernadero, recurso ilimitado, instalación de un aerogenerador compatible con otros usos del terreno y producción de mucha más energía de la empleada en su construcción.
INCOVENIENTES: Generación energética no estable, impacto negativo en el paisaje debido al sonido de las aspas en movimiento, al peligro que constituyen para las aves y a la construcción de carreteras para llegar hasta el parque eólico.

  • Energía solar termoeléctrica (renovable): Se concentra un haz de luz usando múltiples espejos para calentar a alta temperatura un aceite térmico que se emplea para hervir agua y mover una turbina.
Figura 8: Esquema de funcionamiento de una central solar termoeléctrica.

VENTAJAS: Recurso ilimitado, coste de instalación recuperable a medio plazo, ausencia de emisión de gases de efecto invernadero y generación de energía en lugares remotos.

INCOVENIENTES: Tiempo grande de instalación, requerimiento de terrenos extensos, energía de baja densidad y generación energética no estable.

  • Energía solar fotovoltaica (renovable): Se produce electricidad a partir de placas de semiconductores sensibles a la radiación solar.
Figura 9: Esquema de funcionamiento de una central solar fotovoltaica.

VENTAJAS: Recurso ilimitado, coste de instalación recuperable a medio plazo, mantenimiento de bajo coste, existencia de módulos de diferentes tamaños, ausencia de emisión de gases de efecto invernadero y generación de energía en lugares remotos.

INCOVENIENTES: Ausencia de elementos almacenadores de bajo coste, energía de baja densidad, gran inversión inicial y generación energética no estable.

  • Energía hidráulica (renovable): Se obtiene al transformar la energía potencial del agua en energía cinética dejándola caer desde cierta altura para mover las palas de una turbina.
Figura 10: Esquema de funcionamiento de una central hidráulica.

VENTAJAS: Gran capacidad de regulación, posibilidad de emplear los embalses para otros fines, ausencia de emisión de gases de efecto invernadero, costes de emisión y mantenimiento bajos.

INCOVENIENTES: Tiempo de construcción largo, situadas en lugares alejados del punto de consumo, generación de sismos en la zona, acumulación de sedimentos en el embalse y modificación de la dinámica fluvial, afectando a los peces.

  • Energía geotérmica (renovable): La energía calorífica contenida en el interior de la Tierra se transmite hacia su parte externa a través de las sucesivas capas y materiales del subsuelo. Esta energía es absorbida por el agua, que se calienta y puede usarse como calefacción y agua caliente sanitaria.
Figura 11: Esquema de funcionamiento de la energía geotérmica.

VENTAJAS: Recurso ilimitado, aprovechamiento constante, escaso mantenimiento, larga vida de la instalación geotérmica, reducido impacto ambiental, sistema silencioso, posibilidad de instalación autónoma y flexibilidad de ubicación en los edificios.

INCOVENIENTES: Ligera contaminación térmica en circuitos abiertos de aguas freáticas e imposibilidad de transporte como una energía primaria.

  • Energía de biomasa (renovable): Se aprovecha la energía contenida en la materia orgánica producida por los seres vivos para producir su combustión o transformarla en otras sustancias que puedan ser usadas más tarde como combustibles.

VENTAJAS: Ciclo cerrado de emisiones de carbono, abundancia de la materia prima y costes de aprovechamiento escasos.

INCOVENIENTES: Requerimiento de grandes extensiones para almacenar la materia prima y generar la energía, lo que lleva en ocasiones a destruir hábitats de gran valor ecológico.

 

Otras energías en investigación…

Además de estas fuentes de energía, se están desarrollando actualmente dos energías más, la energía nuclear de fusión y las pilas de combustible. En un futuro podrían reemplazar a las fuentes de energía no renovables, reduciendo así las emisiones de dióxido de carbono a la atmósfera.

  • Energía nuclear de fusión (renovable): Dos núcleos ligeros se unen para formar un núcleo más pesado. Dependiendo de los elementos que se fusionen, la masa del núcleo resultante puede ser ligeramente inferior a la suma de las masas de los núcleos ligeros y esta diferencia de masa se libera en forma de energía en la reacción.
Figura 12: Reacción nuclear de fusión del deuterio y el tritio.
  • Hidrógeno (renovable): Es un vector energético y no una fuente de energía, ya que permite llevar la energía de un sitio a otro. Se extrae menos energía de la necesaria para producirlo, así que para sintetizarlo se emplearían energías renovables como la solar o la eólica. El gran reto actualmente es hallar cómo almacenarlo de forma segura antes de incorporarlo en coches de hidrógeno con pila de combustible.
Figura 13: Tipos de pilas de combustible (a la izquierda la de tipo MCFC y a la derecha la de tipo AFC).

BIBLIOGRAFÍA:
– Diapositivas de la asignatura “Fuentes de energía” de 3º del Grado en Física de la Universidad Autónoma de Madrid.
– Diapositivas del curso “Energía: retos y Futuro” del Colegio Oficial de Físicos.

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