UNITAT 1 ELS RECURSOS ENERGÈTICS
24/10/2011
Unitat 1. Els recursos energètics
1
FONTS D’ENERGIA • Anomenem fonts d’energia els elements existents a la natura susceptibles de ser transformats en energia, com l’aigua, el carbó, el petroli,...
• Les fonts d’energia són els recursos naturals dels quals es pot obtenir energia per produir calor, llum i potència. LES FONTS D’ENERGIA AL LLARG DEL TEMPS
• Els pobles primitius energia muscular i energia solar. força dels animals i foc (combustió de vegetals). • Posteriorment
energia del vent i de l’aigua.
• Revolució Industrial (s XIX) màquina de vapor en el transport i mecanització progressiva del treball manual augmenta la demanda d’energia. substitució carbó vegetal per carbó mineral. 24/10/2011
Unitat 1. Els recursos energètics
2
FONTS D’ENERGIA LES FONTS D’ENERGIA AL LLARG DEL TEMPS • Els avenços tècnics i la invenció del motor d’explosió petroli i benzina. • La Primera Guerra Mundial derivats del petroli. • La dècada dels 70 del petroli.
(1914-1918)
gran desenvolupament dels
50% del consum energètic mundial deriva any 1973 crisi de l’energia.
• La Segona Guerra Mundial (1939-1945) impuls del consum del gas natural a nivell domèstic i industrial. • En aquesta època es planteja com alternativa l’energia nuclear 1954 primera central nuclear de fissió (URSS). • Actualment nous reptes política d’estalvi energètic i ús de recursos renovables. 24/10/2011
Unitat 1. Els recursos energètics
3
CLASSIFICACIÓ DE LES FONTS D’ENERGIA • En funció de la seva naturalesa:
Primàries: es troben a la naturalesa. Ex: llenya, aigua, petroli,...
Secundàries: s’obtenen a partir de les fonts primàries Ex: electricitat, benzina,...
24/10/2011
Unitat 1. Els recursos energètics
4
CLASSIFICACIÓ DE LES FONTS D’ENERGIA • En funció de les reserves disponibles:
Renovables (reserves il·limitades)
No renovables
(reserves limitades)
24/10/2011
Energia solar Energia eòlica Energia hidràulica Energia geotèrmica Biomassa RSU Energia mareomotriu Energia de les ones Carbó Petroli Gas natural Urani
Unitat 1. Els recursos energètics
5
CLASSIFICACIÓ DE LES FONTS D’ENERGIA • En funció del grau d’utilització:
Convencionals: aquelles a partir de les quals es produeix la major part de l’energia consumida per la societats. Ex: petroli, gas natural, carbó hidroelèctrica, nuclear. No convencionals: aquelles a partir de les quals es produeix una petita part de l’energia total consumida per la societat.
Ex: solar, eòlica,...
24/10/2011
Unitat 1. Els recursos energètics
6
MATERIALS COMBUSTIBLES • Els materials combustibles són substàncies que, en combinar-se amb l’oxigen, donen lloc al fenomen de la combustió, amb la qual cosa s’obté energia calorífica i, sovint, energia lluminosa. Material combustible + O2
ECALORÍFICA + ELUMÍNICA
• Els combustibles fòssils són els combustibles naturals més abundants a la natura. Els podem classificar en: a)
Sòlids: El més utilitzat és el carbó (antracita, hulla, lignit).
b)
Líquids: Molts provenen de la destil·lació del petroli (gasoil, fuel, benzina, querosè,). També s’utilitzen alcohols (etanol, metanol).
c)
Gasosos: El més utilitzat és gas natural (70% metà) i els gasos liquats del petroli (GLP) (propà, butà).
24/10/2011
Unitat 1. Els recursos energètics
7
MATERIALS COMBUSTIBLES PODER CALORÍFIC (PC) I CAPACITAT CALORÍFICA (C) • El poder calorífic (PC) és l’energia que es desprèn en la combustió completa de la unitat de massa o volum d’un combustible. PC
Calor (Q) Quantitat de combustibl e
[MJ/kg] o [kcal/kg] en líquids o sòlids [MJ/m3] o [kcal/m3] en gasos
• Els combustibles gasosos es distribueixen a pressions i temperatures diferents de les condicions normals (0 ºC i 1 atm). Per saber el seu poder calorífic en les noves condicions cal resoldre: PC PC (CN)
24/10/2011
p 273 101300 273 T
on p = pressió [Pa] T = temperatura [ºC]
Unitat 1. Els recursos energètics
8
MATERIALS COMBUSTIBLES PODER CALORÍFIC (PC) I CAPACITAT CALORÍFICA (C)
24/10/2011
Unitat 1. Els recursos energètics
9
MATERIALS COMBUSTIBLES PODER CALORÍFIC (PC) I CAPACITAT CALORÍFICA (C) • La capacitat calorífica (C) és la quantitat de calor que cal subministrar a una substància per augmentar-li la seva temperatura en 1 ºC o 1 K.
Llavors, la quantitat d’energia tèrmica (Q) necessària per elevar la temperatura d’un cos des d’una temperatura inicial T1 fins una final T2, val:
Q C T2 T1 m ce T2 T1
[MJ] o [kcal]
on ce és la calor específica del cos, que és la capacitat calorífica per unitat de massa i es mesura en MJ/kg·ºC
24/10/2011
Unitat 1. Els recursos energètics
10
MATERIALS COMBUSTIBLES PODER CALORÍFIC (PC) I CAPACITAT CALORÍFICA (C)
24/10/2011
Unitat 1. Els recursos energètics
11
MATERIALS COMBUSTIBLES PODER CALORÍFIC (PC) I CAPACITAT CALORÍFICA (C)
24/10/2011
Unitat 1. Els recursos energètics
12
MATERIALS COMBUSTIBLES LA LLENYA I EL CARBÓ VEGETAL • La meitat de la població humana encara depèn de la llenya. Es sol utilitzar en forma de carbó vegetal (pesa 5 o 6 vegades menys). • El carbó vegetal s’obté de la piròlisi, que és una combustió parcial de la llenya amb poca presència d’O2 (s’elimina aigua).
24/10/2011
Unitat 1. Els recursos energètics
13
MATERIALS COMBUSTIBLES LA LLENYA I EL CARBÓ VEGETAL
24/10/2011
Unitat 1. Els recursos energètics
14
MATERIALS COMBUSTIBLES EL CARBÓ MINERAL • Va ser el primer combustible fòssil que va utilitzar la humanitat. Format per C (70%), H (6%), S (2%), N (1%), altres òxids de silici, ferro,...) (10%). • Es va formar durant el període carbonífer (fa uns 300 milions d’anys) seguint el següent procés: – Part dels boscos que cobrien la terra van quedar submergits i després colgats sota enormes quantitats de sorra i roques. – La descomposició lenta de la matèria orgànica, sense la presència d’oxigen, juntament amb la pressió i la temperatura a que ha estat sotmesa durant milions d’anys, ha transformat la fusta d’aquells boscos en el carbó actual.
24/10/2011
Unitat 1. Els recursos energètics
15
MATERIALS COMBUSTIBLES
24/10/2011
EL CARBÓ MINERAL
Unitat 1. Els recursos energètics
16
MATERIALS COMBUSTIBLES
24/10/2011
EL CARBÓ MINERAL
Unitat 1. Els recursos energètics
17
MATERIALS COMBUSTIBLES EL CARBÓ MINERAL • La composició i el contingut de carboni és diferent en funció de les condicions de pressió i del temps de formació. Podem distingir 4 grups de carbons: - antic + gruix
+ antic - gruix
% C Profunditat [m]
Combustió
TORBA
50-60
0-1000
< 14
LIGNIT
60-75
1000-3000
14-17
Incompleta (deixa cendra)
HULLA
75-90
3000-6000
≈ 28,5
Completa
≈ 6000
≈ 31,5
ANTRACITA 90-95
24/10/2011
PC [MJ/kg]
Unitat 1. Els recursos energètics
(poca cendra)
18
MATERIALS COMBUSTIBLES
EL CARBÓ MINERAL
- antic + gruix
+ antic - gruix
24/10/2011
Unitat 1. Els recursos energètics
19
MATERIALS COMBUSTIBLES
Torba
EL CARBÓ MINERAL
Lignit
Hulla 24/10/2011
Antracita Unitat 1. Els recursos energètics
20
MATERIALS COMBUSTIBLES
EL CARBÓ MINERAL
PROCESSOS D’OBTENCIÓ
• El primer que cal fer, independentment del tipus de procés d’obtenció, és fer un estudi per determinar la qualitat i la quantitat de carbó ÉS RENDIBLE? • Destacarem tres processos d’obtenció diferents, depenent del tipus de carbó que calgui extreure, la seva profunditat, l’accessibilitat a la veta,.... Explotacions a cel obert Explotacions subterrànies Gasificació del carbó
24/10/2011
Unitat 1. Els recursos energètics
21
MATERIALS COMBUSTIBLES
EL CARBÓ MINERAL
EXPLOTACIÓ A CEL OBERT
• Extracció de lignits. • Primer es retira el material que cobreix el jaciment, de forma que la veta de carbó queda al descobert. • Amb maquinària especial i, si cal, explosius es trenca el carbó i se’n obtenen grans quantitats. • Necessiten pocs operaris i una gran inversió en maquinària.
• Un cop acabada l’extracció la legislació vigent obliga a cobrir el terreny i replantar la vegetació destruïda impacte ambiental
24/10/2011
Unitat 1. Els recursos energètics
22
MATERIALS COMBUSTIBLES
EL CARBÓ MINERAL
EXPLOTACIÓ A CEL OBERT
24/10/2011
Unitat 1. Els recursos energètics
23
MATERIALS COMBUSTIBLES
EL CARBÓ MINERAL
EXPLOTACIÓ A CEL OBERT
24/10/2011
Unitat 1. Els recursos energètics
24
MATERIALS COMBUSTIBLES
EL CARBÓ MINERAL
EXPLOTACIÓ A CEL OBERT
24/10/2011
Unitat 1. Els recursos energètics
25
MATERIALS COMBUSTIBLES
EL CARBÓ MINERAL
EXPLOTACIÓ A CEL OBERT
24/10/2011
Unitat 1. Els recursos energètics
26
MATERIALS COMBUSTIBLES
EL CARBÓ MINERAL
EXPLOTACIÓ A CEL OBERT
24/10/2011
Unitat 1. Els recursos energètics
27
MATERIALS COMBUSTIBLES
EL CARBÓ MINERAL
EXPLOTACIÓ A CEL OBERT
24/10/2011
Unitat 1. Els recursos energètics
28
MATERIALS COMBUSTIBLES
EL CARBÓ MINERAL
EXPLOTACIÓ A CEL OBERT
24/10/2011
Unitat 1. Els recursos energètics
29
MATERIALS COMBUSTIBLES
EL CARBÓ MINERAL
EXPLOTACIÓ A CEL OBERT
24/10/2011
Unitat 1. Els recursos energètics
30
MATERIALS COMBUSTIBLES
EL CARBÓ MINERAL
EXPLOTACIÓ A CEL OBERT
24/10/2011
Unitat 1. Els recursos energètics
31
MATERIALS COMBUSTIBLES
EL CARBÓ MINERAL
EXPLOTACIÓ A CEL OBERT
24/10/2011
Unitat 1. Els recursos energètics
32
MATERIALS COMBUSTIBLES
EL CARBÓ MINERAL
EXPLOTACIÓ SUBTERRÀNEA
• Extracció d’hulles i antracites. • S’excaven pous verticals fins arribar a la veta de carbó i seguidament s’obren galeries en la seva direcció. • Actualment s’utilitzen màquines especials (barrinadores) que eliminen la necessitat de picar. • Un cop desprès el material es recull mecànicament en vagonetes o cintes transportadores que el porten a la superfície. • A peu de mina el carbó es tritura, es renta i es classifica (eliminació d’escòries), i posteriorment es transportat en camions o trens.
• Principals perills: ESFONDRAMENTS, GRISÚ i la SILICOSI. 24/10/2011
Unitat 1. Els recursos energètics
33
MATERIALS COMBUSTIBLES
EL CARBÓ MINERAL
EXPLOTACIÓ SUBTERRÀNEA
24/10/2011
Unitat 1. Els recursos energètics
34
MATERIALS COMBUSTIBLES
EL CARBÓ MINERAL
EXPLOTACIÓ SUBTERRÀNEA
24/10/2011
Unitat 1. Els recursos energètics
35
MATERIALS COMBUSTIBLES
EL CARBÓ MINERAL
EXPLOTACIÓ SUBTERRÀNEA
24/10/2011
Unitat 1. Els recursos energètics
36
MATERIALS COMBUSTIBLES
EL CARBÓ MINERAL
EXPLOTACIÓ SUBTERRÀNEA
24/10/2011
Unitat 1. Els recursos energètics
37
MATERIALS COMBUSTIBLES
EL CARBÓ MINERAL
EXPLOTACIÓ SUBTERRÀNEA
24/10/2011
Unitat 1. Els recursos energètics
38
MATERIALS COMBUSTIBLES
EL CARBÓ MINERAL
EXPLOTACIÓ SUBTERRÀNEA
24/10/2011
Unitat 1. Els recursos energètics
39
MATERIALS COMBUSTIBLES
EL CARBÓ MINERAL
GASIFICACIÓ DEL CARBÓ
• Extracció d’hulles i antracites que per la seva configuració i/o localització són tècnicament i/o econòmicament no explotables pels mètodes tradicionals. • Consisteix en la introducció d’un agent gasificant (aigua a 1500 ºC) a la veta del mineral, de la qual cosa s’obté gas de carbó (gas d’aigua (CO + H2)) que és combustible. Carbó + H2O(1500 ºC)
24/10/2011
Unitat 1. Els recursos energètics
CO + H2
40
MATERIALS COMBUSTIBLES
EL CARBÓ MINERAL
GASIFICACIÓ DEL CARBÓ
24/10/2011
Unitat 1. Els recursos energètics
41
MATERIALS COMBUSTIBLES
EL CARBÓ MINERAL
GASIFICACIÓ DEL CARBÓ
24/10/2011
Unitat 1. Els recursos energètics
42
MATERIALS COMBUSTIBLES
EL CARBÓ MINERAL
APLICACIONS DEL CARBÓ
• Combustible d’ús general, usat sense cap transformació. • Pel procés de destil·lació seca (separació per alta Tª sense O2): – Coc (indústria siderúrgica) – Gas ciutat (domèstic) – Productes químics (olis, quitrà, plàstics, fertilitzants, explosiu, medicaments perfums,...) • Pel procés de gasificació: – Gas natural sintètic – Hidrocarburs (combustibles líquids i gasosos similars als derivats del petroli) 24/10/2011
Unitat 1. Els recursos energètics
43
MATERIALS COMBUSTIBLES
EL CARBÓ MINERAL
APLICACIONS DEL CARBÓ
24/10/2011
Unitat 1. Els recursos energètics
44
MATERIALS COMBUSTIBLES EL PETROLI • La seva importància rau en la gran quantitat de productes derivats que proporciona i en el poder energètic de molts d’ells (benzina, gasoil, fuel, querosè, olis, detergents, goma, plàstics, dissolvents,...) • Característiques del petroli brut: – – – – – – –
Format per barreja d’hidrocarburs (C i H), S, O i N. Color variable (des de terrós fins a negre). Menys dens que l’aigua (ρ = 0,80-0,95 kg/dm3). Insoluble en aigua. Aspecte oliós (viscositat variable). Olor desagradable. No té aplicació directa, se n’han de separar els components per destil·lació a les refineries.
24/10/2011
Unitat 1. Els recursos energètics
45
MATERIALS COMBUSTIBLES
24/10/2011
EL PETROLI
Unitat 1. Els recursos energètics
46
MATERIALS COMBUSTIBLES
EL PETROLI
ORIGEN DEL PETROLI
• Inicia la seva formació fa uns 600 milions d’anys, per l’acumulació de microorganismes que constituïen el plàncton marí.
• Aquests eren arrossegats pels corrents marins, arribaven a la costa i morien, quedant dipositats a la sorra i essent recoberts per successives capes de sorra, argila i fang. • La matèria orgànica, atrapada sense oxigen, comença la seva descomposició per bacteris, que, juntament amb les elevades P i T i el pas dels anys origina els diferents hidrocarburs que constitueixen el petroli (també el gas natural). • L’estat líquid permet el desplaçament a través de roques poroses fins arribar a roques impermeables Trampes petrolíferes. 24/10/2011
Unitat 1. Els recursos energètics
47
MATERIALS COMBUSTIBLES
EL PETROLI
ORIGEN DEL PETROLI
24/10/2011
Unitat 1. Els recursos energètics
48
MATERIALS COMBUSTIBLES
EL PETROLI
LOCALITZACIÓ I EXTRACCIÓ
24/10/2011
Unitat 1. Els recursos energètics
49
MATERIALS COMBUSTIBLES
EL PETROLI
LOCALITZACIÓ I EXTRACCIÓ
• Aquest procés s’inicia amb una prospecció del terreny (en regions amb roques sedimentàries). Aquestes prospeccions poden ser: – Mètodes magnetotèrmics: estudiem les distorsions del camp magnètic terrestre ocasionat pel magnetisme de les roques. – Mètodes gravimètrics: mesuren fluctuacions del camp gravitatori terrestre que permeten detectar concentracions salines (associades a possible existència de petroli). – Mètodes sísmics: mitjançant explosius creem ones sísmiques i estudiem la seva propagació pels diferents materials. • Quan la bossa de petroli es troba sota el mar caldrà fer prospeccions marines. 24/10/2011
Unitat 1. Els recursos energètics
50
MATERIALS COMBUSTIBLES
EL PETROLI
LOCALITZACIÓ I EXTRACCIÓ
24/10/2011
Unitat 1. Els recursos energètics
51
MATERIALS COMBUSTIBLES
EL PETROLI
LOCALITZACIÓ I EXTRACCIÓ
• Un cop feta la prospecció cal construir una torre de perforació i obrir un pou de prova.
24/10/2011
Unitat 1. Els recursos energètics
52
MATERIALS COMBUSTIBLES
EL PETROLI
LOCALITZACIÓ I EXTRACCIÓ
24/10/2011
Unitat 1. Els recursos energètics
53
MATERIALS COMBUSTIBLES
EL PETROLI
LOCALITZACIÓ I EXTRACCIÓ
• Les torres són estructures metàl·liques resistents per suportar el pes d’una sonda (tubs que es van empalmant) que s’anirà enfonsant fins a travessa la roca. Al cap de la sonda es col·loca una barrina amb dents d’un material molt dur.
24/10/2011
Unitat 1. Els recursos energètics
54
MATERIALS COMBUSTIBLES
EL PETROLI
LOCALITZACIÓ I EXTRACCIÓ
24/10/2011
Unitat 1. Els recursos energètics
55
MATERIALS COMBUSTIBLES
EL PETROLI
LOCALITZACIÓ I EXTRACCIÓ
24/10/2011
Unitat 1. Els recursos energètics
56
MATERIALS COMBUSTIBLES
EL PETROLI
LOCALITZACIÓ I EXTRACCIÓ
• Aquest barrina necessita refrigerar-se contínuament. Això es fa injectant llot, per dins de la sonda i extraient-ho per fora.
24/10/2011
Unitat 1. Els recursos energètics
57
MATERIALS COMBUSTIBLES
EL PETROLI
LOCALITZACIÓ I EXTRACCIÓ
• Pel que fa a l’extracció aquesta es pot ser natural o artificial. Extracció natural: el petroli es troba pressionat i puja espontàniament pel tub de sondeig. Extracció artificial: s’injecta aigua o altres elements a través dels tubs de la sonda, que obliga el petroli a pujar a la superfície, o per mitjà de bombes aspirants. • Normalment cal combinar els dos tipus d’extraccions. Malgrat tot ,després de les extraccions, aproximadament el 50% del petroli del jaciment no es pot obtenir (en condicions econòmicament favorables) i resta sense aprofitar.
24/10/2011
Unitat 1. Els recursos energètics
58
MATERIALS COMBUSTIBLES
EL PETROLI
LOCALITZACIÓ I EXTRACCIÓ
A) Extracció primària: es traca d’extracció natural. El petroli surt empès pel gas que tenia dissolt. Surt aproximadament entre un 15% i un 30% del petroli. B) Extracció secundària: injectem aigua per tal d’apropar el petroli amunt. C) Extracció terciària: introduïm detergents amb la finalitat de disminuir la tensió superficial i la viscositat del petroli. És car 24/10/2011
Unitat 1. Els recursos energètics
59
MATERIALS COMBUSTIBLES
EL PETROLI
TRANSFORMACIÓ DELS PRODUCTES
• Un cop extret el petroli es transporta mitjançant vaixells o oleoductes a les refineries. En aquestes es porten a terme un seguit de processos destinats a separar els diferents components o fraccions del petroli. • Els més característics són: Destil·lació fraccionada Cracking Polimerització Reforming 24/10/2011
Unitat 1. Els recursos energètics
60
MATERIALS COMBUSTIBLES
EL PETROLI
DESTIL·LACIÓ FRACCIONADA
24/10/2011
Unitat 1. Els recursos energètics
61
MATERIALS COMBUSTIBLES
EL PETROLI
DESTIL·LACIÓ FRACCIONADA
• Consisteix en escalfar el cru fins a l’evaporació i refredar-lo progressivament i obtenir les fraccions condensades separades en funció del seu punt d’ebullició. • S’efectua amb 2 torres de destil·lació o columnes de fraccionament. La primera treballa pressió atmosfèrica i la segona al buit. • El procés comença escalfant el petroli en un forn a uns 360 ºC i introduint-lo a la base de la primera torre. Els elements més lleugers (butà, propà, benzines,...) arriben a la part més alta de la torre. Les altres fraccions són extretes en diferents nivells.
• La fracció que resta líquida a 350 ºC (residu atmosfèric) es torna a escalfar (ara a 400 ºC) i s’introdueix a la torre de buit per tornar-se a destil·lar, obtenint també diverses fraccions. 24/10/2011
Unitat 1. Els recursos energètics
62
MATERIALS COMBUSTIBLES
EL PETROLI
DESTIL·LACIÓ FRACCIONADA
24/10/2011
Unitat 1. Els recursos energètics
63
MATERIALS COMBUSTIBLES
EL PETROLI
DESTIL·LACIÓ FRACCIONADA
24/10/2011
Unitat 1. Els recursos energètics
64
MATERIALS COMBUSTIBLES
EL PETROLI
CRACKING
• Consisteix en la descomposició del hidrocarburs més pesants 8olis i fuels), per tal d’obtenir-ne de més lleugers (benzines). • Es pot fer a temperatures i pressions elevades (cracking
tèrmic) o amb la presència de catalitzadors (cracking catalític). POLIMERITZACIÓ
• És el procés invers al cracking. Es tracta de transformar els hidrocarburs més lleugers (butà i propà) en compostos més pesants (benzines i gasoils). 24/10/2011
Unitat 1. Els recursos energètics
65
MATERIALS COMBUSTIBLES
EL PETROLI
REFORMING
• S’utilitza per millorar les característiques de les benzines. Es fa a altes temperatures i en presència d’un catalitzador (com el platí).
24/10/2011
Unitat 1. Els recursos energètics
66
MATERIALS COMBUSTIBLES
EL PETROLI
APLICACIÓ DELS PRODUCTES OBTINGUTS
• Directament: – Gas butà i propà (combustible industrial i domèstic) – Èter de petroli (dissolvent) – Benzina, querosè, gasoil, fuel (combustible de motors, centrals) – Olis lubricants (lubricants) – Ceres de parafines (espelmes, llumins,...) – Asfalt (revestiments, paviments,...)
• Tractat a la industria petroquímica: – Plàstics – Fibres sintètiques (niló, poliester) – Detergents, dissolvents, pintures, insecticides, explosius,... – Cautxú sintètics sintètiques (niló, poliester) 24/10/2011
Unitat 1. Els recursos energètics
67
MATERIALS COMBUSTIBLES EL GAS NATURAL • Bàsicament format per metà (CH4), com a mínim un 70%, barrejar per altres gasos (età, propà, butà,...).
• Es troba formant bosses, sol o associat a petroli. C FORMACIÓ I EXTRACCIÓ • El procés de formació és semblant al del petroli, per tant la localització i extracció són paral·leles a les del petroli. • Dels jaciments extraiem aproximadament el 85% de la seva capacitat total. • Un cop extret el gas cal netejar-lo d’impureses (pols, aigua, sorra i altres gasos no desitjats). 24/10/2011
Unitat 1. Els recursos energètics
68
MATERIALS COMBUSTIBLES
EL GAS NATURAL
TRANSPORT I DISTRIBUCIÓ
• Fins fa relativament poc no s’utilitzava com a font d’energia primària degut als problemes que presenta el seu transport i emmagatzematge. • Actualment el transport als centres de consum es realitza amb: Gasoductes: es transporta el gas en estat gasós a una pressió entre 36 i 70 atmosferes. És el mètode més econòmic. Vaixells metaners: es transporta el gas en estat líquid (GNL) a -163 ºC (així aconseguim reduir el seu volum 600 vegades). • La distribució des de la planta als llocs de consum exigeix una xarxa de canonades de diferents pressions, en funció de la proximitat als llocs de consum. 24/10/2011
Unitat 1. Els recursos energètics
69
MATERIALS COMBUSTIBLES
24/10/2011
EL GAS NATURAL
Unitat 1. Els recursos energètics
70
MATERIALS COMBUSTIBLES
24/10/2011
EL GAS NATURAL
Unitat 1. Els recursos energètics
71
MATERIALS COMBUSTIBLES
24/10/2011
EL GAS NATURAL
Unitat 1. Els recursos energètics
72
MATERIALS COMBUSTIBLES
EL GAS NATURAL
TRANSPORT I DISTRIBUCIÓ
24/10/2011
Unitat 1. Els recursos energètics
73
MATERIALS COMBUSTIBLES
EL GAS NATURAL
TRANSPORT I DISTRIBUCIÓ
24/10/2011
Unitat 1. Els recursos energètics
74
MATERIALS COMBUSTIBLES
EL GAS NATURAL
TRANSPORT I DISTRIBUCIÓ
24/10/2011
Unitat 1. Els recursos energètics
75
MATERIALS COMBUSTIBLES
EL GAS NATURAL
APLICACIONS
• La indústria, el comerç i l’habitatge, mitjançant el desplegament de la xarxa de distribució. • Les centrals tèrmiques mixtes, que alternen el gas natural amb la crema d’altres combustibles (fuel i carbó). • Les instal·lacions de cogeneració, que produeixen simultàniament energia elèctrica i tèrmica útil (maximitzant els rendiments). • La indústria petroquímica, com a matèria primera.
24/10/2011
Unitat 1. Els recursos energètics
76
MATERIALS COMBUSTIBLES ALTRES COMBUSTIBLES GASOSOS • Un gas combustible és aquell que és capaç de reaccionar amb l’oxigen de l’aire de forma ràpida i amb alliberament de calor • Aquests gasos combustibles es podem classificar en tres famílies atenent al seu poder calorífic (PC):
Primera família: el seu PC en CN varia entre 17 i 23 MJ/m3. Pertanyen a aquesta família el gas ciutat o manufacturat (obtingut a partir de carbó, petroli o gas natural). Segona família: el seu PC en CN varia entre 42 i 55 MJ/m3. Pertanyen a aquesta família el gas natural i l’aire propanat. Tercera família: el seu PC en CN varia entre 94 i 120 MJ/m3. Pertanyen a aquesta família el gas butà i el propà (GLP). 24/10/2011
Unitat 1. Els recursos energètics
77
L’ENERGIA NUCLEAR ÀTOM • És la quantitat més petita d’un element químic que conserva les seves propietats. • Està format per:
• Nucli protons (p+) i neutrons (n) • Escorça electrons (e-) Partícula
Massa (kg)
Protó
1,67·10-27
Càrrega elèctrica (C) + 1,602·10-19
Neutró
1,67·10-27
0
Electró
9,11·10-31
- 1,602·10-19
• Els e- giren al voltant del nucli descrivint trajectòries circulars o el·líptiques òrbites o capes 24/10/2011
Unitat 1. Els recursos energètics
78
L’ENERGIA NUCLEAR ÀTOM • NOMBRE ATÒMIC (Z) nombre p+ = nombre e(propi i definitori de cada element) • NOMBRE MÀSSIC (A) nombre p+ + nombre n
A Z
χ
• Dels àtoms del mateix element que difereixen en el nombre de neutrons i, per tant, també en el nombre màssic es diu que són isòtops de l’element. Ex:
isòtops de l’hidrogen:
H (hidrogen o protí)
1 1
H (deuteri)
H (triti)
2 1
3 1
isòtops de l’urani:
U (U - 233)
233 92 24/10/2011
235 92
U (U - 235)
U (U - 238)
238 92
Unitat 1. Els recursos energètics
79
L’ENERGIA NUCLEAR RADIOACTIVITAT. VIDA MITJANA D’UN ELEMENT RADIOACTIU
La radioactivitat natural és el fenomen de la transformació o transmutació nuclear espontània (sense cap ajuda exterior). És pròpia del elements radioactius.
S’emet radiació a alta velocitat que pot ser: Radiació electromagnètica: raigs γ (sempre amb α o β) Radiació de partícules: α o β Conegudes com radiacions ionitzants perquè tenen energia suficient per penetrar la matèria i ionitzar-ne els àtoms i/o les molècules. 24/10/2011
Unitat 1. Els recursos energètics
80
L’ENERGIA NUCLEAR
RADIOACTIVITAT
α 24He
4 2
n p -10β
24/10/2011
Unitat 1. Els recursos energètics
81
L’ENERGIA NUCLEAR
RADIOACTIVITAT
Es isòtops radioactius artificials s’obtenen mitjançant el bombardeig de nuclis amb partícules projectil α, β i γ, i sobretot neutrons. Tot element radioactiu es caracteritza pel temps de semidesintegració, anomenat vida mitjana, que és el temps en què una determinada quantitat d’element radioactiu es redueix a la meitat, pel fet d’haver-se desintegrat l’altra meitat.
24/10/2011
Unitat 1. Els recursos energètics
82
L’ENERGIA NUCLEAR
L’ENERGIA DEL NUCLI ATÒMIC
• L’energia nuclear és l’energia continguda en el nucli dels àtoms.
• Quan n + p+ formen un nucli atòmic resulta una massa inferior a la suma de les seves masses abans d’unir-se. Aquesta pèrdua de massa correspon a una transformació d’energia anomenada energia d’enllaç (que s’encarrega de mantenir unides les partícules atòmiques). • En totes les reaccions nuclears, s’allibera una certa quantitat d’energia (diferència entre les energies d’enllaç anteriors i posteriors). Aquesta energia la podem calcular:
E m c
2
on m = massa convertida en energia [kg] c = velocitat llum (3·108) [m/s]
• No tota la matèria es pot transformar en energia perquè la majoria d’elements són estables i els radioactius naturals l’emeten molt lentament. Per tant, cal aconseguir isòtops radioactius artificials. 24/10/2011
Unitat 1. Els recursos energètics
83
L’ENERGIA NUCLEAR
REACCIONS NUCLEARS
• Qualsevol procés que implica el nucli d’un àtom s’anomena reacció o transmutació nuclear. • Existeixen dos tipus de reaccions nuclears: Reaccions de fusió nuclear Reaccions de fissió nuclear REACCIONS DE FUSIÓ NUCLEAR
• Són aquelles reaccions en que s’uneixen nuclis d’elements lleugers per formar nuclis més pesants. • Aquestes reaccions desprenen molta energia: són les que es produeixen de forma espontània al Sol. 24/10/2011
Unitat 1. Els recursos energètics
84
L’ENERGIA NUCLEAR
REACCIONS NUCLEARS
REACCIONS DE FUSIÓ NUCLEAR Ex:
deuteri + deuteri:
H 12H 23He 01n E
2 1
Ex:
deuteri + triti:
H 12H 24He 01n E
2 1
24/10/2011
Unitat 1. Els recursos energètics
85
L’ENERGIA NUCLEAR
REACCIONS NUCLEARS
REACCIONS DE FUSIÓ NUCLEAR • La gran dificultat d’aquest tipus de reaccions és que cal una gran quantitat d’energia per iniciar la reacció (per acostar dos nuclis positius).
• Podem aconseguir reaccions de fusió escalfant les partícules a temperatures de l’ordre de 100·106 ºC estat de plasma. • El problema es com aïllar el plasma a tan alta temperatura confinar-lo en potents camps magnètics. • En pic dominem aquesta tècnica obtindrem energia de forma barata, il·limitada, segura i mediambientalment acceptable. • Aquest tipus de reaccions s’han provat en el camp militar en la BOMBA D’HIDROGEN (800 cops més potent que la bomba atòmica). 24/10/2011
Unitat 1. Els recursos energètics
86
L’ENERGIA NUCLEAR
REACCIONS NUCLEARS
REACCIONS DE FUSIÓ NUCLEAR
24/10/2011
Unitat 1. Els recursos energètics
87
L’ENERGIA NUCLEAR
REACCIONS NUCLEARS
REACCIONS DE FUSIÓ NUCLEAR
24/10/2011
Unitat 1. Els recursos energètics
88
L’ENERGIA NUCLEAR
REACCIONS NUCLEARS
REACCIONS DE FISSIÓ NUCLEAR • Són aquelles reaccions que consisteixen a provocar la ruptura del nucli d’un àtom amb l’impacte d’un neutró. • L’interès més gran del procés de fissió està en el fet que per cada nucli escindit s’emeten dos o tres neutrons que poden escindir altres nuclis d’urani, i així successivament reacció en cadena. • Un cop iniciada la reacció, es pot mantenir per si mateixa sempre que es disposi d’una quantitat d’àtoms d’urani suficients massa crítica. 24/10/2011
Unitat 1. Els recursos energètics
89
L’ENERGIA NUCLEAR
REACCIONS NUCLEARS
REACCIONS DE FISSIÓ NUCLEAR Ex:
fissió U-235:
U 01n
235 92
Ba
140 56
Kr 2 01n E
93 36
• En comptes de Ba i Kr, poden aparèixer elements com Xe, Rn, Cs, I,... • D’un kg d’urani fissionat obtenim la mateixa energia que de 2500 tones de carbó (i només desapareixen 0,68 g d’urani). 24/10/2011
Unitat 1. Els recursos energètics
90
L’ENERGIA NUCLEAR
REACCIONS NUCLEARS
REACCIONS DE FISSIÓ NUCLEAR • Aquest tipus de reaccions es poden dur a terme de forma lenta i controlada (en els reactors nuclears de les centrals) o de forma instantània i incontrolada en les bombes atòmiques.
24/10/2011
Unitat 1. Els recursos energètics
91
L’ENERGIA NUCLEAR
REACCIONS NUCLEARS
PRODUCCIÓ I ENRIQUIMENT DE COMBUSTIBLES NUCLEARS • Els combustibles nuclears són els elements que en condicions adequades poden produir reaccions nuclears de fusió i fissió, energèticament aprofitables. Reaccions fusió
Deuteri Triti
Reaccions fissió
U-235 (natural) Pu-239 (artificial) U-233 (artificial)
• Combustibles nuclears
• Pel que fa a l’urani natural, està format per un 99,27% d’U-238, un 0,72% d’U-235 i la resta d’U-234. La majoria de reactors comercials necessiten per al seu funcionament l’urani enriquit, en el qual la proporció d’U-235 ha augmentat fins al 3 o 4%. 24/10/2011
Unitat 1. Els recursos energètics
92
L’ENERGIA NUCLEAR
REACCIONS NUCLEARS
PRODUCCIÓ I ENRIQUIMENT DE COMBUSTIBLES NUCLEARS
24/10/2011
Unitat 1. Els recursos energètics
93
L’ENERGIA NUCLEAR
REACCIONS NUCLEARS
RESIDUS RADIOACTIUS • Els residus gasosos (aire de ventilació de recintes potencialment contaminants) se sotmeten a un procés de filtratge i retenció fins que l’activitat ha disminuït en grau suficient que permeti l’evacuació a l’atmosfera.
• Els residus líquids (procedents de centrals nuclears) són filtrats, obtenint-ne fangs i una part líquida. Els fangs rebran el mateix tractament que els residus sòlids. La part líquida es depurada i es reincorpora al procés.
24/10/2011
Unitat 1. Els recursos energètics
94
L’ENERGIA NUCLEAR
REACCIONS NUCLEARS
RESIDUS RADIOACTIUS • Els residus sòlids de baixa i mitjana activitat (produïts en centrals nuclears, hospitals: filtres, guants, robes, eines contaminades i els fangs de la filtració dels residus líquids) són barrejats amb una massa de formigó i tancats hermèticament en bidons d’acer de doble paret, que es desen en la mateixa central i després en emplaçaments adequats fora de la central.
24/10/2011
Unitat 1. Els recursos energètics
95
L’ENERGIA NUCLEAR
REACCIONS NUCLEARS
RESIDUS RADIOACTIUS • Els residus sòlids d’alta activitat (productes de fissió: barres de combustible) es dipositen durant uns mesos en una piscina de formigó, a la mateixa central, per amortir-ne l’activitat. Després s’introdueixen en recipients especials, amb parets d’acer i blindats amb gruixudes capes de plom, i són enviats cap a plantes de reelaboració per tal de depurar el combustible no fissionat. La resta es sotmet a calcinació, convertint-los en una pols fina que es barreja amb vidre fos i es col·loca en recipients d’acer inoxidable, que són emmagatzemats en mines profundes situades en zones geològicament estables. 24/10/2011
Unitat 1. Els recursos energètics
96
LA CONTAMINQCIÓ AMBIENTAL EFECTE HIVERNACLE. NIVELLS DE CO2
24/10/2011
Unitat 1. Els recursos energètics
97
LA CONTAMINQCIÓ AMBIENTAL EFECTE HIVERNACLE. NIVELLS DE CO2
• Consisteix en l’elevació de temperatura que experimenta l’atmosfera a causa de la presència de gasos hivernacle que deixen passar la radiació visible de l’espectre solar i absorbeixen la infraroja (calor) emesa per la terra. • Els principals gasos hivernacle són: CO2 Responsable de més del 50% del reescalfament CFC Responsable del 25% del reescalfament Altres gasos hivernacle H2O (vap), NO2, CH4, O3,...
• La presència d’aquests gasos és indispensable per a la vida a la terra, s’encarreguen de regular la temperatura del planeta. Sense ells la Tª seria uns 30 ºC més freda.
24/10/2011
Unitat 1. Els recursos energètics
98
LA CONTAMINQCIÓ AMBIENTAL EFECTE HIVERNACLE. NIVELLS DE CO2
24/10/2011
Unitat 1. Els recursos energètics
99
LA CONTAMINQCIÓ AMBIENTAL EFECTE HIVERNACLE. NIVELLS DE CO2
• Unes quatre cinquenes parts dels nivells de CO2 provenen de la crema de combustibles fòssils i la resta es causada per la destrucció de la vegetació (sobretot tala d’arbres tropicals). • Si no hi posem remei/control és calcula que la mitjana de temperatura per l’any 2020 pujarà en 1,3 ºC i per l’any 2070 en 3 ºC. Això pot provocar: Elevació del nivell dels mars (per la fusió de part dels casquets polars).
Canvis climàtics a nivell global, que afectarien les produccions agrícoles, els ecosistemes, desaparició d’espècies de plantes i animals per no poder adaptar-se a un canvi climàtic tan sobtat,... 24/10/2011
Unitat 1. Els recursos energètics
100
LA CONTAMINQCIÓ AMBIENTAL LA 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; allà entren en contacte amb vapor d’aigua, llum i oxigen i es transformen en àcid sulfúric i àcid nítric. Quan aquests àcids són arrossegats per la pluja o els flocs de neu o cauen en forma de partícules seques, es produeix la pluja àcida, que provoca un augment de l’acidesa dels llacs, dels rius i torrents d’aigua dolça i en alguns casos, fins i tot, dels sòls. • Si és una deposició seca, es contaminen les rodalies del focus emissor; si és una deposició humida contamina a centenars de quilòmetres.
24/10/2011
Unitat 1. Els recursos energètics
101
LA CONTAMINQCIÓ AMBIENTAL LA PLUJA ÀCIDA
24/10/2011
Unitat 1. Els recursos energètics
102
LA CONTAMINQCIÓ AMBIENTAL LA CONTAMINACIÓ FOTOQUÍMIQUES
ATMOSFÉRICA
URBANA.
LES
BOIRES
• Es tracta de contaminació atmosfèrica característica d’algunes grans ciutats, la qual afecta a persones, edificis, monuments,... • Es produeix per la existència d’una inversió tèrmica juntament amb la falta de vent. Això crea sobre les ciutats una cúpula d’aire calent que, carregada de partícules del fum dels cotxes, centrals tèrmiques, indústries,... queda retinguda i no s’aixeca formant una boira carregada de partícules contaminants.
• En aquestes boires podem trobar, entre d’altres, SO2, NO2, hidrocarburs reactius, CO, metalls pesants,... • Poden provocar conjuntivitis, sinusitis, asma, mal de coll,.... 24/10/2011
Unitat 1. Els recursos energètics
103
LA CONTAMINQCIÓ AMBIENTAL LA CONTAMINACIÓ RADIOACTIVA • Les centrals nuclears no generen gasos contaminants i, per tant, no contribueixen a la pluja àcida ni a l’efecte hivernacle, però tant el combustible com els residus que generen són radioactius i emeten radiacions perilloses per a les persones, els animals i les plantes. • Per tant els dos grans problemes de les centrals nuclears són: Les emissions radioactives La gestió dels residus radioactius
24/10/2011
Unitat 1. Els recursos energètics
104