Generación de energía eléctrica con fuentes renovables E-Book

Luis Vargas

• Herausgeber: Editorial Universitaria de Chile
• Kategorie: Wissenschaft und neue Technologien
• Sprache: Spanisch
• Veröffentlichungsjahr: 2022

Seitenzahl: 398

Beschreibung

El objetivo de esta publicación es acercar los fundamentos físicos y principios básicos de las tecnologías de generación eléctrica a partir de fuentes renovables a jóvenes científicos, profesionales y público en general interesados en tecnologías limpias para la generación de electricidad a pequeña, mediana y gran escala.

Leseprobe

333.7932

G326eGeneración de energía eléctrica con fuentes renovables /

Luis Vargas … [et. al].

1a. ed.– Santiago de Chile: Universitaria, 2020.

254 p.: il., figs., grafs., tablas; 17,2 x 24,5 cm. – (Textos Universitarios)Incluye índices.

Incluye bibliografías.

ISBN Impreso: 978-956-11-2625-1

ISBN Digital: 978-956-11-2668-8

1. Energía eléctrica – recursos energéticos.

2. Recursos energéticos renovables.

I. Vargas, Luis.

© 2020. LUIS VARGAS, JANNIK HAAS, LORENZO REYES, FELIPE SALINAS, DIEGO MORATA.

Inscripción Nº 2020-A-1128, Santiago de Chile.

Derechos de edición reservados para todos los países por

© EDITORIAL UNIVERSITARIA, S.A.

Avda. Bernardo O’Higgins 1050, Santiago de Chile.

Ninguna parte de este libro, incluido el diseño de la portada,puede ser reproducida, transmitida o almacenada, sea porprocedimientos mecánicos, ópticos, químicos oelectrónicos, incluidas las fotocopias,sin permiso escrito del editor.

Texto compuesto en tipografía Berling 11/13

Se terminó de imprimir esta

PRIMERA EDICIÓN

en los talleres de Impresora y Comercial Feyser Ltda.

Calle Traslaviña 1928, San Miguel, Santiago de Chile,

en febrero de 2020.

DIAGRAMACIÓN

Yenny Isla Rodríguez

DISEÑO DE PORTADA

Norma Díaz San Martín

PORTADA

Collage. Banco de Imágenes gratis

©Pixabay

ESTE PROYECTO CUENTA CON EL FINANCIAMIENTO DEL

FONDO JUVENAL HERNÁNDEZ JAQUE 2016

DE LA UNIVERSIDAD DE CHILE

www.universitaria.cl

Diagramación digital: ebooks [email protected]

Fondo Rector Juvenal Hernández Jaque

El Fondo Rector Juvenal Hernández Jaque fue instituido el año 2003 mediante el Decreto Universitario N° 0025.932, con el fin de “promover la edición, publicación y difusión de libros y textos de interés académico, otorgando prioridad a los desarrollados por la Universidad de Chile, que generen una contribución a las ciencias, humanidades y artes, y que signifiquen un enriquecimiento científico y cultural de la comunidad”.

Desde el año 2013 la convocatoria a postular obras se ha realizado en forma anual siguiendo estándares editoriales rigurosos. Un comité editorial, formado por cinco profesores titulares de diversas áreas del conocimiento –presidido por el prorrector de la Universidad de Chile–, conduce el proceso de revisión y selección de las obras, identificando pares evaluadores que contribuyen con su opinión ilustrada y fundamentada a la decisión final, sobre bases exigentes y rigurosas.

En el presente concurso el comité editorial del Fondo estuvo constituido por los profesores: Gonzalo Díaz Cuevas, Jorge Hidalgo Lehuedé, Sergio Jara Díaz (presidente), María Loreto Rebolledo González y Ángel Spotorno Oyarzún. La convocatoria alcanzó a 38 libros, siendo seleccionados 15. Uno de ellos es el libro que usted tiene en sus manos.

SERGIO R. JARA DÍAZ

Prorrector Universidad de Chile

Agosto de 2016

Índice

Prefacio

1. Introducción

1.1. Breve historia de la energía

1.2. Energía y potencia

1.2.1. ¿Qué es la energía?

1.2.2. Potencia

1.2.3. Las fuerzas fundamentales

1.2.4. Formas de energía

1.2.5. ¿Qué son las fuentes de energía renovable?

1.2.6. Unidades de energía y potencia

1.2.7. Órdenes de magnitud y prefijos métricos

1.3. Conversión de la energía

1.3.1. Introducción

1.3.2. Energía primaria, secundaria y final

1.3.3. Procesos de conversión

1.3.4. Usos de la energía final

1.3.5. Eficiencia de las transformaciones y factor de planta

1.3.6. Balance de energía

1.4. Impacto ambiental

1.4.1. Introducción

1.4.2. Combustibles fósiles, efecto invernadero y cambio climático

1.4.3. ¿Cómo medir el impacto ambiental?

1.5. Costo nivelado de energía

1.6. Clasificación del potencial energético

1.6.1. Potencial según factibilidad de extracción

1.6.2. Potencial según certeza de ocurrencia

1.7. Prospección

2. Energía Solar Térmica

2.1. ¿Qué es la energía solar térmica?

2.2. Breve historia

2.3. Recurso solar

2.3.1. Introducción

2.3.2. Geometría solar

2.3.3. Interacción atmosférica

2.3.4. Orientación, inclinación y seguimiento de sistemas solares

2.4. Sistemas de concentración solar

2.4.1. Introducción

2.4.2. Principios de la conversión termosolar

2.4.3. Cilindros parabólicos

2.4.4. Reflectores lineales Fresnel

2.4.5. Disco Stirling

2.4.6. Torre solar

2.4.7. Otros sistemas - pozas solares

2.5. Impacto ambiental

2.6. Prospección

3. Energía Fotovoltaica

3.1. ¿Qué es la energía fotovoltaica?

3.2. Breve historia

3.3. Conversión fotovoltaica

3.3.1. Semiconductores y dopaje

3.3.2. La magia está en la juntura p-n

3.3.3. Eficiencia de una celda

3.3.4. Muchas celdas, un módulo

3.3.5. Características eléctricas de las celdas fotovoltaicas

3.4. Tipos de celdas fotovoltaicas

3.4.1. Introducción

3.4.2. Celdas de silicio cristalino

3.4.3. Otras celdas de juntura simple

3.4.4. Celdas de película delgada

3.4.5. Celdas de multijuntura

3.4.6. Celdas emergentes

3.4.7. Resumen

3.5. Sistemas fotovoltaicos (FV)

3.5.1. Introducción

3.5.2. Conectados a la red

3.5.3. Sistemas aislados

3.5.4. Pérdidas de energía en un sistema fotovoltaico

3.6. Impacto ambiental

3.7. Prospección

4. Energía Eólica

4.1. ¿Qué es la energía eólica?

4.2. Breve historia

4.3. Recurso eólico

4.3.1. Características globales

4.3.2. Características locales

4.3.3. Variabilidad del viento

4.4. Conversión eólica

4.4.1. Potencia del viento y potencia de un aerogenerador

4.4.2. Curva de potencia

4.4.3. Aerodinámica de una turbina

4.5. Generadores eólicos

4.5.1. Tipo de turbina

4.5.2. Control de potencia mecánica

4.5.3. Velocidad de giro

4.5.4. Tipo de generador

4.6. Parques eólicos

4.6.1. Introducción

4.6.2. Pronóstico de la generación eólica

4.7. Impacto ambiental

4.8. Prospección

5. Energía Hidroeléctrica

5.1. ¿Qué es la energía hidroeléctrica?

5.2. Breve historia

5.3. Recurso hidroeléctrico

5.3.1. Potencial hidroeléctrico en el mundo

5.3.2. Ciclo hidrológico y año hidrológico

5.3.3. Escorrentía

5.3.4. Altura de caída

5.4. Conversión hidroeléctrica

5.4.1. Potencia hidráulica

5.4.2. Turbinas hidráulicas

5.5. Centrales hidroeléctricas

5.5.1. Equipamiento básico

5.5.2. Central hidroeléctrica de embalse

5.5.3. Central hidroeléctrica de pasada

5.5.4. Central hidroeléctrica de bombeo

5.5.5. Grandes y pequeñas centrales hidroeléctricas

5.5.6. Cavitación y golpe de ariete

5.6. Impacto ambiental

5.6.1. Ventajas ambientales de la hidroelectricidad

5.6.2. Embalses, una barrera en el ecosistema

5.6.3. Impacto de superficies inundadas

5.6.4. Alteración hidrológica

5.6.5. Comentarios finales

5.7. Prospección

5.7.1. Resumen y potencial remanente

5.7.2. Hidroelectricidad sustentable y gestión integrada de cuencas

6. Energía de Biomasa

6.1. ¿Qué es la energía de biomasa?

6.2. Breve historia

6.3. Fuentes de biomasa

6.3.1. Introducción

6.3.2. Biomasa primaria

6.3.3. Biomasa secundaria

6.4. Conversión de la biomasa

6.4.1. Introducción

6.4.2. Conversión termoquímica

6.4.3. Conversión bioquímica

6.4.4. Conversión fisicoquímica

6.5. Impacto ambiental

6.6. Prospección

7. Energía Geotérmica

7.1. Introducción

7.1.1. ¿Qué es la energía de geotérmica?

7.1.2. Conceptos básicos: gradiente geotérmico, fluido geotérmico, reservorio geotérmico y recurso geotérmico

7.2. Tipos de sistemas geotermales

7.3. Recursos geotérmicos en su contexto geológico

7.4. Exploración de los recursos geotérmicos

7.4.1. Métodos geológicos

7.4.2. Métodos geoquímicos

7.4.3. Métodos geofísicos

7.5. Explotación del recurso geotérmico

7.5.1. Etapas de exploración/explotación. Manejo del riesgo

7.6. Generación de electricidad mediante geotermia

7.6.1. Tipos de tecnologías

7.6.2. Desarrollo actual de la generación de electricidad mediante geotermia en el mundo

7.7. Uso directo de la geotermia

7.7.1. Aplicaciones de la industria

7.7.2. Beneficios sociales

7.7.3. Bombas de calor geotérmicas

7.8. Estado de la geotermia en Chile

Bibliografía

ÍNDICE DE CAJAS

Caja 1: Equivalencia de unidades de energía y potencia

Caja 2: Prefijos métricos

Caja 3: ¿Cuántos litros de gasolina y diésel se obtienen a partir de un barril de petróleo?

Caja 4: Primera y segunda ley de la Termodinámica

Caja 5: Evaluación de impacto ambiental y evaluación ambiental estratégica en Chile

Caja 6: ¿Cuándo se nos acaba el petróleo?

Caja 7: La importancia del vidrio

Caja 8: Energía solar activa

Caja 9: Energía solar pasiva

Caja 10: Valorización de energía exportada a la red

Caja 11: Balance económico de sistemas fotovoltaicos

Caja 12: Evaluación estadística de la velocidad del viento

ÍNDICE DE TABLAS

Tabla 1: Formas de energía, su portador y ejemplo de ecuaciones. Las formas de energía en negrita indican las formas fundamentales

Tabla 2: Consumo y potencia aproximada según carga, valores estimativos

Tabla 3: Fuentes naturales y artificiales de gases invernadero

Tabla 4: Tiempo de residencia en atmósfera y potencial de calentamiento global

Tabla 5: Mejores eficiencias según tipo de celda hasta fines de 2014

Tabla 6: Clasificación de los diferentes recursos geotermales según diferentes autores en función de su temperatura

Tabla 7: Capacidad instalada de geotermia a nivel mundial desde 1950 hasta 2015 y proyección a 2020. No existen mediciones en los años donde no hay valores de energía producida

ÍNDICE DE LABORATORIOS

Laboratorio 1: Energía solar térmica

Laboratorio 2: Curva característica de módulos fotovoltaicos Curva característica de módulos fotovoltaicos

Laboratorio 3: Sistemas fotovoltaicos aislados con almacenamiento

Laboratorio 4: Turbina eólica

Laboratorio 5: Fuerza de sustentación y arrastre

Laboratorio 6: Generador síncrono

Laboratorio 7: Central hidroeléctrica

Prefacio

Estamos en una época de importantes avances en la escena de la generación de energías renovables, tanto en madurez tecnológica y económica como también en el convencimiento ciudadano y la correspondiente voluntad política para abrir caminos hacia su despliegue y consolidación. Así, en apenas una década ocurren cambios notables en todo el planeta, tales como la denominada revolución energética de Alemania, la descarbonización de la matriz eléctrica de Uruguay y la extensa concepción de agendas políticas con ambiciosas metas de generación limpia como en México, Colombia y Perú. Además, por primera vez en la historia, la generación renovable europea supera a su competencia nuclear y se posiciona como un fundamento básico de la independencia energética del viejo continente. Por su parte, Chile se ha puesto como meta conseguir un 70% de la generación eléctrica a partir de fuentes renovables al año 2050, donde se estima, a partir de estudios derivados del proceso participativo Energía 2050, que un gran porcentaje provendrá de fuentes renovables no convencionales, en particular eólica y solar fotovoltaica. Más aún, durante los últimos 4 años la instalación de centrales eólicas desde Antofagasta a Punta Arenas, así como de centrales solares fotovoltaicas desde Arica a Santiago, ha aumentado exponencialmente, al punto que estos recursos han pasado a ser parte íntegra de la matriz eléctrica de nuestro país. Todo ello configura un escenario propicio para fortalecer la enseñanza de tecnologías renovables en nuestra región y sirve de fundamento para la propuesta que realiza este libro.

El objetivo de esta publicación es acercar los fundamentos físicos y principios básicos de las tecnologías de generación eléctrica a partir de fuentes renovables hacia jóvenes científicos, profesionales y público en general interesados en tecnologías limpias para la generación de electricidad a pequeña, mediana y gran escala. Es de interés de los autores que el libro sea un aporte al mundo hispano-hablante, contribuyendo al entendimiento interdisciplinario y holístico de las energías renovables en América Latina.

El libro comienza con una amplia introducción al mundo energético, abarcando la amplitud de esta problemática, la cual se extiende más allá del campo de la electricidad. Se entrega una visión sobre la importancia de electrificar la demanda en el contexto del cambio climático y las crecientes preocupaciones por emisiones locales. Luego sigue la aventura con los capítulos tecnológicos: la generación de electricidad a partir del calor solar, usando el efecto fotovoltaico, las turbinas eólicas, las centrales hidroeléctricas y, por último, aquellas que utilizan biomasa. Se complementa el texto con siete experiencias de laboratorio que ayudan al aprendizaje de estas temáticas.

1. Introducción

1.1. Breve historia de la energía

Desde tiempos muy remotos la especie humana ha utilizado las fuentes de energía a su alcance en una constante búsqueda de mayor confort y desarrollo. En un comienzo el hombre hacía uso pasivo de la luz y el calor provenientes de la entonces inexplicable masa luminosa, hoy conocida como el Sol, para poder ver al cazar y protegerse del frío. Así, junto con el consumo de comida para accionar sus músculos, el sol y la biomasa constituían la primera fuente de energía renovable aprovechada por los humanos.

El control del fuego, aproximadamente un millón de años atrás [1], marca un cambio de paradigma: disponer de la energía en cualquier momento. Así, la combustión de la leña –“energía solar concentrada en biomasa” [2]– comienza a imperar como fuente energética para entregar calor y luz, ahuyentar depredadores y preparar alimentos. Posteriormente se empieza a usar animales para asistir trabajos pesados, por ejemplo en la agricultura, o para transporte de materiales, es decir, otra vez el trabajo de músculos para generar trabajo mecánico.

También las siguientes fuentes de energía serían derivadas de la energía solar. Así nacen los primeros veleros (7.000 años atrás) para transporte, comercio y pesca. Luego se inventan los molinos: primero aquellos accionados por el agua (2.200 años atrás) y luego los impulsos por el viento (hace 1.000 años), generando un movimiento mecánico capaz de bombear agua y moler grandes cantidades de cereal. Si bien estas tecnologías ya diversifican la matriz energética, el trabajo principal seguiría siendo realizado por los músculos de animales y humanos, tal como nos lo muestran numerosas ilustraciones de nuestros antepasados [2]. Hace unos 1.000 años, la población mundial se estimaba en 200 millones de personas.

Los censos marcaban casi 1.000 millones de personas durante uno de los periodos más fascinantes de la historia, la Revolución Industrial, hace unos 250 años. El uso de la leña y carbón vegetal se tornaría cada vez más importante hacia los años 1800, principalmente para alimentar los hornos de fundición de hierro. Sin embargo, la extracción de la madera ya alcanzaba niveles insustentables. Tal vez es esta la primera gran muestra de sobrexplotación de recursos naturales. Solo mediante la combustión del coque (carbón enriquecido) se lograría aumentar los niveles de producción de hierro y, a la par, permitir la reforestación [3]. El carbón seguiría sustituyendo a la leña, no solo en la combustión sino también para nutrir la máquina de vapor. Si bien el carbón y el coque fueron clave para expandir la industria del hierro, cabe destacar que la energía hidráulica alimentaba a muchas otras industrias relevantes de la época, aunque menos intensivas en energía, como, por ejemplo, la textil [3]. Otro hecho, usualmente desapercibido, es que la energía eólica era usada para el bombeo de agua para uso en la ganadería, locomotoras y casas, cuyo primer auge es contemporáneo con la máquina a vapor [3].

Los años 1880 son interesantes para una nueva forma de energía: la electricidad. En solo 15 años se muestra que es posible la generación de electricidad a partir de una celda solar de selenio, Thomas Edison instala la primera central eléctrica a carbón en Nueva York, entrada en operación la primera central hidroeléctrica en Wisconsin y se desarrolla el primer molino eléctrico en Ohio. Siguiendo la promesa de Edison, “generaremos electricidad tan barata que solo los ricos usarán velas” [4], el sistema eléctrico completo –desde la generación hasta el consumo– estaría perfeccionado hacia fines de los años 1890. Así, el desarrollo eléctrico despegaría rápidamente, sobre todo en la industria.

Tecnologías para aprovechamiento energético no faltaban, sin embargo es el carbón, recurso barato y para entonces estimado como ilimitado, que se establecería como principal fuente de energía para los ya 1.500 millones de personas. Así, tras la Revolución Industrial, se darían todas las condiciones para iniciar un crecimiento vertiginoso de la población, población que no solo duplicaría su tamaño cada 50 años sino también su hambre por la energía (Figura 1).

Junto al lanzamiento de la electricidad, la creación del motor de gasolina de Daimler, la ignición eléctrica de Benz y el carburador Daimler-Maybach son tres elementos clave que permiten iniciar la era del automóvil [3]. Así, la demanda hacia el petróleo crudo crecería rápidamente hasta reemplazar al carbón como principal fuente de energía en los años 1950. En esa época también se inicia el consumo de gas natural. Al mismo tiempo se construye el primer reactor nuclear, prometiendo energía económica, limpia y abundante a los más de 2.500 millones de habitantes.

El desarrollo basado en tecnologías fósiles dominaría en las siguientes dos décadas (Figura 2). Con ello, los efectos que la combustión origina localmente, como emisión de material particulado, compuestos orgánicos volátiles y monóxido de carbono, y globalmente, como efecto invernadero y lluvia ácida, serían cada vez más agudos y muchas veces difíciles de revertir. Ello redundaría, en algunos casos, en efectos desastrosos tanto para el medio ambiente como para la propia salud de las personas.

Figura 2: Evolución del uso mundial de energías primarias en términos absolutos (arriba), relativos (medio) y composición relativa para años selectos (abajo) [6].

Los altos precios y la escasez de combustibles fósiles, producto de las crisis de petróleo de los años 1970 (Figura 3), originan el primer cuestionamiento serio sobre el agotamiento y la dependencia de una economía de 4.000 millones de personas a ese tipo de combustibles. En este escenario, por primera vez en la historia moderna, nacen impulsos fuertes para promover las energías renovables (ER). Nacen institutos de investigación asociados a la energía solar, apoyos estatales para la energía eólica, la primera ciudad piloto alimentada con energía solar, la primera granja solar y el primer concentrador solar térmico de potencia. Lamentablemente, estas iniciativas serían efímeras y opacadas por un nuevo boom petrolero con bajos precios.

Figura 3: Evolución del precio del petróleo (1861-1944: promedio en Estados Unidos, 1945-1983: Arabian Light enunciado en Ras Tanura, 1984-2015 Brent) [7].

En los años 1990, frente a las evidencias del cambio climático y el aumento sostenido de precios de los combustibles fósiles, vuelven a proliferar las ideas de la generación limpia.Así, diversos países, entre los cuales destacan Dinamarca, Japón y Alemania, apuestan fuertemente al desarrollo de la energía eólica y fotovoltaica. Dinamarca, en la convicción de alejarse de la energía nuclear, apuesta, mediante fuertes impulsos estatales, a la inversión y consumo de energía eólica. Por otro lado, importantes subsidios y fondos para investigación permiten a Japón impulsar su desarrollo fotovoltaico a mediados de la década [8]. Poco después del acuerdo de reducir los gases de efecto invernadero mediante el Protocolo de Kioto en 1997, Alemania se convertiría en líder fotovoltaico desde la actualización de su sistema de fomento de las energías renovables en el año 2000.

El tiempo comprendido entre el año 2000 hasta hoy se caracteriza por importantes avances en la implementación de tecnologías renovables. Principalmente, hacia 2010 las tasas anuales de instalación de parques eólicos y fotovoltaicos marcarían nuevos récords año tras año. Alemania, por ejemplo, desde 2008 en adelante instala más de 4 GW (gigawatts)de paneles solares cada año (esto equivale a dos veces la demanda punta de lo que era el antiguo Sistema Interconectado del Norte Grande en Chile) [9]. Sin embargo, a pesar de todos los esfuerzos, la dependencia actual hacia los combustibles fósiles es, con un abrumador 80%, todavía imperiosa [10]. Es también preocupante que los subsidios mundiales para las energías fósiles son cuatros veces superiores a los de las energías renovables [10], en un mundo poblado por más de 7.000 millones de seres humanos.

Por otro lado, tras más de medio siglo de energía nuclear, sus principales promesas siguen aún sin cumplirse: el tratamiento final de los desechos no se ha resuelto, las reservas de uranio son cada vez más limitadas y su enriquecimiento es cada vez menos competitivo y, para la mayoría de los países, la energía atómica no contribuye hacia su independencia energética. Además, el riesgo operativo queda cada vez más evidente por accidentes como el de Pennsylvania (1979), Chernobyl (1986) y Fukushima (2011), por solo mencionar algunos de los más de 20 mayores accidentes nucleares [11]. A pesar de ello, algunos países, como China, India y Rusia, siguen invirtiendo en energía nuclear, aunque con tecnologías más seguras. Por otro lado, nace en este contexto la tendencia hacia el abandono de la energía nuclear o desnuclearización, iniciado por Suecia (1980) y más tarde seguido por Italia, Bélgica y Alemania, sumando al año 2015 más de 10 países [12]. Algunos decidieron no construir nuevas plantas, mientras que otros, incluso apagan las centrales existentes. De hecho, recientemente más plantas se han cerrado que abierto [13].

Chile, por su parte, aprueba en el 2008 la ley de cuotas de energías renovables no convencionales (ERNC) exigiendo un 10% para el año 2024. Cuatro años después elevaría su meta a un 20% al año 2025. Eventualmente, también impulsada por elevados precios eléctricos, se inicia –sin subsidios– la instalación de grandes parques eólicos y solares, particularmente en la zona centro-norte del país. A la fecha, sin embargo, la matriz energética chilena comparte la dependencia mundial hacia los combustibles fósiles.

Como la historia lo demuestra, las energías renovables son, al mismo tiempo, la forma más antigua y la más moderna de las energías aprovechables por la humanidad.A la vez, existe una relación ambivalente entre la energía y el desarrollo humano. Mientras que las distintas fuentes de energía delimitan la velocidad de desarrollo humano, ni poseer abundantes reservas energéticas, ni consumir vastas cantidades de energía garantizan el confort económico o la felicidad personal [3]. En esta línea, la historia dirá si la Revolución Industrial y la era fósil fueron efectivamente un avance o el periodo de mayor miopía en términos energéticos, ambientales y sociales de la humanidad.

En el contexto del fuerte crecimiento poblacional iniciado tras la Revolución Industrial, un bacteriólogo hablaría del abandono de la fase de adaptación y el inicio de la fase de reproducción exponencial. Nuestro alimento durante esta era: los combustibles fósiles. Pronto llegaremos a la fase estacionaria y ante la naturaleza efímera de las soluciones tecnológicas que inventamos frente a nuestro insaciable deseo hacia las energías nace la pregunta: ¿qué energías acuñarán la próxima época?

Este libro pretende entregar las herramientas básicas para lo que, en el entendimiento de los autores, son las tecnologías de dicha época. Pero antes de ingresar al mundo de las energías renovables, visitaremos algunos conceptos básicos relacionados con la energía y su conversión.

1.2. Energía y potencia

1.2.1. ¿Qué es la energía?

Las plantas al crecer, los animales al correr, los humanos al pensar, todos necesitan energía. Energía es vida. También el ciclo hidrológico, –gotas de agua que se elevan desde el océano para migrar hacia la cordillera–, requiere energía. Vibraciones atómicas dan origen al calor, saltos de electrones a la luz, y combustión de gasolina al movimiento mecánico del auto. Energía es cambio.

1.2.2. Potencia

Aunque existan distintas formas de llegar a la cima, por ejemplo, caminando, corriendo, o con un salto, es interesante notar que el trabajo será siempre el mismo (dado que la única fuerza de este caso es la gravedad). Aquí nace entonces la necesidad de definir otro concepto para incluir la velocidad con la cual se hace el trabajo: la potencia (P). La potencia mide, en cada instante de tiempo, la velocidad con la que realiza un trabajo. Así, para un intervalo de tiempo (t), la potencia media ( R—), medida en Watts (W), a la que un trabajo es realizado puede calcularse como:

Si bien la potencia usualmente se usa en el mundo eléctrico, aplica a todo tipo de procesos, como el ya mostrado con el ejemplo anterior. Cuando en un proceso existen componentes térmicas y eléctricas, es usual distinguir su potencia usando el subíndice e para denotar su potencia eléctrica y t para la térmica, MWt y MWe respectivamente.

Como hemos visto, los conceptos energía y potencia están relacionados (a través de la dimensión tiempo), pero son totalmente distintos. Aunque informalmente suelen ser confundidos, en el mundo científico es necesario distinguirlos con claridad.

1.2.3. Las fuerzas fundamentales

Tal vez las formas más cotidianas de la energía son la electricidad para alimentar los computadores, el calor de una ducha y la energía cinética de un vehículo. Sin embargo existen muchas otras, como la energía química contenida en los enlaces de un árbol o la energía elástica de un resorte. Todas ellas son resultado de las cuatro fuerzas fundamentales del universo que, en la aceptación convencional son: la fuerza nuclear fuerte, electromagnética, gravedad y nuclear débil.

Es digno señalar que la búsqueda para un entendimiento de la naturaleza es investigación en curso. Así, hace un par de décadas, la fuerza electromagnética y la débil fueron unificadas mediante la teoría electrodébil [16]. La idea de buscar una teoría unificadora no es nueva. Antes del trabajo de Oersted, Faraday y Maxwell (entre otros), también creíamos que la electricidad y el magnetismo eran fenómenos independientes. Actualmente el desafío de los físicos teóricos es compatibilizar las teorías de gravedad con las de la mecánica cuántica. En esta línea se postula la existencia de una quinta fuerza, la gravedad cuántica, que permitiría describir todas las fuerzas mediante la Teoría del Campo Unificado2.

La fuerza nuclear fuerte es la responsable de mantener unido al núcleo atómico (protones y neutrones), venciendo la repulsión eléctrica de los protones. Es la más fuerte de las fuerzas, pero no se observa afuera del núcleo de un átomo, actuando solo a distancias muy cortas (diámetro de un núcleo ~10-15m).

La fuerza electromagnética actúa sobre partículas con carga. El fenómeno incluye la fuerza electrostática (cargas en reposo) y el efecto combinado entre fuerzas eléctricas y magnéticas. Si bien el rango sobre la cual esta influye es ilimitado, su efecto decae con el cuadrado de la distancia. Es interesante notar que esta fuerza es responsable de mantener los enlaces entre átomos y moléculas, definiendo así la mayoría de las características químicas. Es responsable de muchos fenómenos macroscópicos, como la fricción y los rayos, y la de la corriente eléctrica.

La fuerza de gravedad es parecida a la electromagnética: actúa sobre dos cuerpos con masa en un rango infinito y decae con el cuadrado de la distancia. Sin embargo, es siempre de atracción y más débil que la segunda. Es la responsable, por ejemplo, de mantener los planetas en órbitas alrededor del Sol y de hacer fluir el agua.

La fuerza nuclear débil actúa a distancias muy cortas (fracción de un diámetro de un protón ~10-18m) y es la responsable de algunos fenómenos nucleares, como el decaimiento beta positivo (transformación de un protón a neutrón). Este decaimiento permite formar deuterio (hidrógeno pesado) que fusionado con un hidrógeno genera helio, lo cual (junto a la fuerza nuclear fuerte) es clave para el funcionamiento del sol.

La interacción entre las fuerzas anteriores y la materia genera distintas formas de energía. A continuación revisaremos los tipos de energías más comunes y su relación con las fuerzas fundamentales.

1.2.4. Formas de energía

1.2.4.1.Energía cinética (y térmica)

La energía cinética son átomos en movimiento.Así, nosotros, vehículos o gotas de agua en movimiento somos ejemplos de esta. Pero también el calor, movimiento o vibración aleatoria de los átomos son una manifestación de energía cinética, medible a través de la temperatura. Elementos en giro, como ruedas, también son expresiones de este tipo de energía. La energía cinética (Ec) es usualmente forzada por la gravedad, como un río escurriendo de la montaña al mar, pero también puede resultar por el calor liberado en una combustión3 o la electricidad que impulsa un motor o el simple traslado de un objeto de un lugar a otro. La energía cinética es descrita matemáticamente como la mitad del producto entre la masa de un objeto y su velocidad al cuadrado:

1.2.4.2.Energía potencial gravitacional

EpΔh

En otras palabras, para elevar un objeto bajo efecto del campo gravitacional es necesario gastar energía (equivalente a m•g• Δh). Alternativamente, visto desde la perspectiva geocéntrica, la energía potencial gravitacional es lo que se cansa la Tierra al mover la manzana de un punto a otro.

1.2.4.3.Energía electromagnética (y química)

La energía electromagnética (Ee) incluye las interacciones eléctricas presentes a nivel atómico y molecular, que usualmente son producto de la fuerza fundamental que lleva el mismo nombre. Pero también la radiación solar (y todo su espectro: infrarroja, espectro visible, rayos X) es energía electromagnética, resultado de la fusión solar (en donde interactúan todas las fuerzas fundamentales).

Un átomo se puede visualizar como un núcleo rodeado de una nube de electrones, que cuando se recombina con otros átomos redistribuye su carga. De esta manera, la energía química puede entenderse, a nivel atómico, como energía eléctrica. Así, la energía química es en rigor energía eléctrica de los enlaces moleculares del combustible que durante la combustión se rompen, formando nuevos enlaces de menor energía y liberando calor.

La electricidad también es un ejemplo familiar de esta categoría. Ocurre particularmente en metales, estructuras donde un par de electrones por átomo pueden fluir libremente por el material. Para mantener este flujo es necesario compensar la energía que los electrones pierden al chocar con la red metálica, suministrando energía externa. La electricidad se puede describir con la diferencia de potencial eléctrico (V) entre dos puntos (análogo a la energía potencial mencionada arriba) y la corriente eléctrica (I), que corresponde al flujo de electrones, durante un tiempo (t):

Ee•I•t

Es interesante notar que el voltaje se puede inducir siguiendo el principio de Faraday: una bobina (enrollado de cables) girando en un campo magnético. Este principio se aplica en la mayoría de las centrales eléctricas, en las cuales las bobinas son accionadas por un rotor que es impulsado por el calor (o viento o agua) en presencia de un imán. Veremos más detalles en el próximo capítulo.

Finalmente, también la energía elástica (ej: un resorte) es un tipo de energía electromagnética. La compresión o estiramiento de un material genera un reordenamiento de las moléculas que lo conforman, afectando la energía contenida en los electrones de valencia que forman los enlaces.

1.2.4.4.Energía nuclear

La energía nuclear se refiere a la energía contenida en los lazos que unen al núcleo atómico. Así, las reacciones de fusión del Sol son un ejemplo de este tipo de energía. La fisión, división de un átomo, como en los reactores o bombas atómicas, también es parte de esta familia. En ambas reacciones, fusión y fisión, existe una ruptura entre los enlaces de las partículas subatómicas (protones y neutrones) generando un reordenamiento, que converge en nuevos átomos y transformación de masa en energía. La energía nuclear se puede describir mediante la relación de Einstein, que relaciona una diferencia de masa m con el cuadrado de la velocidad de la luz c:

En2

1.2.4.5.Resumen

Como vimos anteriormente, hay cuatro fuerzas fundamentales que interactuando entre ellas y con masa, pueden generar energía. Esta se manifiesta en numerosas formas, que se pueden clasificar en cuatros grupos: energía cinética, potencial, electromagnética y nuclear. Así, la energía eléctrica y magnética son casos particulares de la energía electromagnética, mientras que la energía térmica fue clasificada como una manifestación de energía cinética, y la química y elástica como electromagnética.

Cabe destacar que otra definición de energía, la mecánica, es entendida como la suma entre energía cinética y energía potencial gravitacional. Por otro lado, la energía giratoria, contenida, por ejemplo, en una rueda de inercia, es un caso particular de energía cinética, por lo cual a veces es llamada energía cinética angular.

La Tabla 1 muestra un resumen de las energías antes discutidas, junto a su portador y un ejemplo de ecuación que la describe.

Tabla 1: Formas de energía, su portador y ejemplo de ecuaciones. Las formas de energía en negrita indican las formas fundamentales.

Donde: E= energía, V= diferencia de tensión, I= corriente eléctrica, t= tiempo, m= masa, T= temperatura, v= velocidad, Δh= diferencia de altura, h= constante de Planck, n= frecuencia de un fotón, L= inductancia de bobina, c= velocidad de la luz, k= constante elástica, x= distancia de deformación, Im

1.2.5. ¿Qué son las fuentes de energía renovable?

Energía renovable es la que proviene de fuentes de energía que son regeneradas por la naturaleza en una escala temporal relevante para los humanos. Sørensen [17] agrega la tasa (velocidad) de uso a la definición: “las fuentes de energía renovable son los flujos de energía que son regenerados a la misma tasa a la cual son usados”.

Si observamos el sistema Tierra, nos damos cuenta que el calor que esta irradia al espacio es igual a la radiación solar que ingresa (se encuentra en un equilibrio térmico). Usar la energía solar, es decir, transformarla en una forma que nos es más útil, no alteraría el equilibrio anterior. En otras palabras, la situación con o sin intervención humana sería la misma: el calor, tarde o temprano, se irradiará al espacio. El uso de la energía solar, ya sea por transformaciones naturales o artificiales, sin embargo, podría implicar una demora en la devolución de calor al espacio. Por esta razón los distintos sistemas de almacenamiento naturales de la energía solar también son considerados fuentes renovables. Así, el calor y corrientes de océanos y aire, las olas y mareas, la biomasa y el ciclo hidrológico son todos fuentes de energía renovable [17].

Existe una tasa de extracción máxima de las fuentes renovables para que estas sigan siendo regenerativas. Esta tasa debe ser inferior a la velocidad a la cual nuevos flujos ingresan a los distintos reservorios de energía (regeneración). Por ejemplo, en la industria forestal (biomasa) la tasa de extracción es la tala de árboles y recolección de residuos en un año, mientras que la tasa de regeneración corresponde al crecimiento de los bosques (incluyendo la reforestación). Entonces, para que el aprovechamiento sea renovable, la extracción debe ser inferior a la regeneración.

Cabe destacar que la actividad humana no solo incide en la tasa de extracción sino que también puede afectar la tasa de regeneración de un recurso. Por ejemplo, la tala de árboles para creación de superficies arables implica disminuir la tasa de regeneración por pérdida de áreas de bosque. También la lluvia ácida (ej: por emisiones azufrosas de la quema del carbón) y sequías (ej: por cambio climático) pueden impactar negativamente a la tasa de regeneración de biomasa.

La geotermia es un caso curioso. Tiempo atrás se creía que era un recurso renovable, sin embargo evidencias teórica y empírica (decaimiento de campos geotérmicos) demuestran lo contrario. En efecto, el aprovechamiento del flujo geotermal se relaciona con un enfriamiento del interior de la Tierra. Sin perjuicio de lo anterior, la geotermia bajo escala humana se comporta como energía renovable para todo efecto práctico. Por un lado, posee bajas emisiones de contaminantes en su uso, y, por otro, es un flujo de energía más que una reserva de un recurso (como por ejemplo los combustibles fósiles), lo cual –a tasas de extracción adecuadas– permite un aprovechamiento continuo.

1.2.6. Unidades de energía y potencia

Ya habíamos mencionado que las unidades del sistema internacional para medir trabajo y energía es el Joule, y para la potencia el Watt (J/s). Sin embargo, muchas veces se suele emplear una medida no propia del sistema internacional para referirse al consumo energético, principalmente en el mundo eléctrico: el Watt-hora (Wh). En esta convención, la potencia de una carga simplemente se multiplica por su tiempo de uso expresado en horas. Tomemos como ejemplo una ampolleta de 20 W de potencia. En el sistema internacional diríamos que la ampolleta en una hora consume 72.000 J (20 W • 3600 s), lo cual es un número bastante grande. En cambio, en la convención del Watt-hora queda simplemente 20 Wh (20 W • 1h). En conclusión, un 1 Wh equivale a 3.600 J.

Por otro lado, la potencia a veces también se mide en otras unidades. Por ejemplo, la potencia de los vehículos hasta el día de hoy se suele indicar en caballos de fuerza (HP, del inglés Horse Power) que equivale a 746 [W]. Este uso fue adoptado por James Watts, quien comparaba la potencia de las –entonces nuevas– máquinas de vapor con caballos de carga [18].

Más detalles sobre unidades de energía y unidades de potencia se encuentran en la Caja 1.

Caja 1: Equivalencia de unidades de energía y potencia.

UNIDADES DE ENERGÍALa unidad del sistema internacional para medir energía es el Joule (J), en honor al físico James Prescott Joule. Sus equivalencias con otras unidades de uso común son:

UNIDADES DE POTENCIALa unidad del sistema internacional para medir potencia es el Watt (W), en honor al científico James Watt. El Watt es equivalente a:

1.2.7. Órdenes de magnitud y prefijos métricos

Con el objetivo de desarrollar sensibilidad frente a los órdenes de magnitud de la energía y potencia daremos algunos ejemplos tangibles en esta sección. Partiremos por consumos o cargas eléctricas de uso frecuente en la casa.

Lo que una vez fue la tradicional ampolleta incandescente de 100 W hoy es un aparato en extinción. Está siendo reemplazada por sus colegas tecnológicos, como la ampolleta fluorescente o LED, que producen la misma luminosidad con menores potencias, 20 W y 10 W, respectivamente. Estos casos (hacer lo mismo pero gastando menos) son ejemplos clásicos de eficiencia energética. Para obtener la energía consumida por una carga eléctrica hace falta multiplicar por el tiempo en el cual fue usada. Bajo el supuesto que se usa 4 horas al día, al cabo de un mes las ampolletas de 10, 20 y 100 W habrán usado, 1.2, 2.4 y 12 kWh, respectivamente. A un precio eléctrico de 100 CLP/kWh (0.15 USD/kWh)4, esto implica un gasto entre 120 a 1.200 CLP cada mes por ampolleta (valor que aparecería en la cuenta eléctrica).

Una carga siempre muy hambrienta energéticamente es el refrigerador. Su potencia nominal se encuentra en torno a los 500 W, sin embargo solo se usa por un par de minutos cada hora. Esto provoca que su consumo mensual se ubique en torno a los 30 kWh. Hervidores y microondas también se caracterizan por elevadas potencias (1.000-2.000 W) y pocos instantes de uso.

Tabla 2: Consumo y potencia aproximada según carga, valores estimativos.

Al agregar las distintas cargas eléctricas en una casa, junto a su perfil de consumo, se puede obtener la demanda promedio mensual por hogar, que en Chile durante 2006 estaba en torno a 130 kWh [19]. Por otro lado, existen otros consumos energéticos en los hogares, principalmente gas para cocina y agua caliente (220 kWh/mes) y leña para calefacción (1.880 kWh/mes), totalizando en promedio 2.230 kWh/mes por hogar [19]. Al dividir el consumo eléctrico y el consumo energético total por los integrantes promedio del hogar (3.6 [20]), resulta aproximadamente 35 kWh/mes y 620 kWh/mes per cápita, respectivamente. Estos valores no consideran la energía necesaria en desplazamiento (auto o bus), ni la requerida para la elaboración de comida, ropa ni los demás insumos que usamos día a día. Para acercanos a estos valores podemos usar como aproximación el consumo energético total del país, es decir, considerar también el sector industrial, comercial y público. Así, para el mismo año, el consumo eléctrico per cápita5 es siete veces superior (270 kWh/mes [21]) y el energético per cápita, 3 veces superior (1.810 kWh/mes [21]) a los números anteriores que están basados solamente en el consumo del hogar. La Tabla 1 resume los ejemplos anteriores y otras cargas junto a su potencia típica.

Cuando se agregan distintos consumos o generadores, como en la tabla anterior, los números para medir potencias y energía crecen rápidamente.Así, para facilitar la escritura y comprensión de grandes cantidades se suele usar prefijos métricos, como kilo (103) y Mega (106). Por ejemplo, el actual consumo de energía mundial por año se encuentra en torno de los 500 • 1018J, más fácilmente 500 EJ(Exa-Joule). Es interesante notar que el consumo energético de los últimos 200 años ha sido de este orden y, a menos que la eficiencia energética nos pare, pronto iniciaremos la era del Zetta-Joule. Más detalles sobre los prefijos métricos se encuentran en la Caja 2.

Caja 2: Prefijos métricos.

PREFIJOS MÉTRICOS

Es común usar los siguientes prefijos para tratar grandes magnitudes de energía y potencia:

Nota: es convención usar mayúsculas para abreviar los prefijos métricos que son mayores a uno. Excepción a esta regla es el kilo que es abreviado por “k” minúscula, dado que la “K” mayúscula está reservada para denotar los grados Kelvin. También es convención usar los prefijos en nominadores solamente y no en denominadores. Por ejemplo, un flujo de calor podría indicarse como kJ/s (kW), pero no como J/ms. Otro error común es agregar una ‘s’ para denotar el plural de las unidades (kg está bien, kgs no está bien). Otras convenciones se pueden encontrar en [123].

1.3. Conversión de la energía

1.3.1. Introducción

Según Lavoisier, la energía no puede ser creada, consumida, ni destruida. Más bien, se encuentra sometida a un continuo proceso de transformación (Figura 5).

Cuando en términos cotidianos hablamos de generar energía nos referimos a la transformación de una fuente energética (como la energía solar) a otra forma de energía que nos es más útil (como el calor o la electricidad). Por otro lado, consumir la energía alude al proceso de transformar la energía a una forma que se quiera usar; por ejemplo, usar electricidad para iluminar la casa o usar el calor de un panel termosolar para acondicionar el agua de la ducha. Es importante notar que en cada proceso de conversión se obtienen distintas formas de energía, sin embargo no todas éstas son aprovechables en su totalidad por el consumo o siguiente eslabón de transformación. Es aquí, donde en términos cotidianos se habla de pérdidas de energía. Todo lo anterior no contradice al postulado de Lavoisier, más bien es jerga imprecisa para denotar diversas transformaciones de energía.

Figura 5: Fuego que transforma energía química en térmica (izquierda), máquina de vapor que transforma calor en energía mecánica (centro), dínamo de bicicleta que transforma energía mecánica en eléctrica (derecha). (Fotografías: Ralf Roletschek, L. Kenzel y J. Karaste).

1.3.2. Energía primaria, secundaria y final

En la naturaleza se encuentran numerosas fuentes de energía, sin embargo rara vez en la forma que nos es útil. En estos casos es necesario transformar la fuente a una forma de energía que sí nos sirve. Por ejemplo, la energía cinética incide sobre las aspas de un aerogenerador, se transforma en energía mecánica y después del acoplamiento del generador es transmitida por las líneas de alta tensión hasta la red de distribución, para luego llegar a las casas y ser usada para accionar los insumos del hogar, como el refrigerador, la licuadora, el horno o el computador. Así, la energía se puede clasificar según grado de transformación en energía primaria, secundaria y final.

La energía primaria corresponde a todas las formas de energía disponibles en el ambiente antes de ser transformadas. Consecuentemente, el petróleo crudo, gas natural, carbón, uranio natural, viento, radiación solar, olas, mareas y corrientes marinas, geotermia, biomasa, agua (en altura o escorrentía) son energías primarias. También forman parte de las energías primarias las diferencias de salinidad en océanos, la electricidad atmosférica que se puede manifestar en forma de rayos durante las tormentas, y las fuentes de calor derivadas del sol como el gradiente térmico en el océano y en el suelo.

La energía secundaria es aquella que sí ha pasado por un proceso de transformación artificial. Por ejemplo, el diésel y la gasolina obtenidos tras la destilación fraccionada de crudo (o bien tras diversos procesos de enriquecimiento de biomasa), el gas natural licuado tras la compresión del gas, el coque tras la pirólisis del carbón, el uranio tras su enriquecimiento, el movimiento mecánico tras el aprovechamiento de diversas fuentes como las olas, mareas, corrientes marinas, flujos de agua en movimiento o agua embalsada, entre otros. Cabe destacar que una energía secundaria puede seguir transformándose, generando otra secundaria. Por ejemplo, el movimiento mecánico de un rotor (energía secundaria), producto del viento (energía primaria), puede alimentar un generador, obteniendo así electricidad (otra energía secundaria).

Figura 6: Tipos de energías según grado de transformación.

Cuando la energía llega a su destino último se habla de energía final. El calor y frío de procesos industriales y climatización, iluminación y aparatos eléctricos, aire comprimido y accionamiento de motores son ejemplos de esta. Estos son alimentados por energía térmica, mecánica y electricidad, que en la mayoría de los casos son energía secundaria. Sin embargo hay casos en los cuales las energías primarias son usadas directamente como energía útil. Por ejemplo, el viento para enfriar transformadores, afloramientos geotermales como termas turísticas, la luz solar para iluminación de espacios, o la cinética de las olas para impulsar a los surfistas.

1.3.3. Procesos de conversión

En esta sección nos concentraremos en describir los distintos procesos de conversión en la industria energética, indicando sus entradas y salidas. La visión panorámica de estos procesos, incluyendo la energía final, se muestra en la Figura 7. Primero describiremos la oferta energética (lo que entra a los procesos de conversión), luego los procesos en sí, agrupados según la energía que estos generan y, por último, dónde se usa la energía final.

Figura 7: Relación entre las fuentes de energía primaria (rectángulos redondeados), procesos de conversión (pentágonos azules), energía secundaria (rectángulos verdes) y energía final (rectángulos rojos). *Solo el carbón y el gas natural son fósiles energéticos primarios, mientras que los derivados del petróleo crudo ya son energéticos secundarios lo cual, por simplicidad, no se distingue en esta ilustración. Lo mismo aplica al combustible nuclear, que en su estado natural es un energético primario, mientras que el combustible enriquecido ya es un energético secundario.

1.3.3.1.Oferta energética

El sol es el gran motor de ciclos y procesos, que culminan en una vasta oferta energética en nuestra tierra, que espera ser aprovechada. Así, el sol es el responsable de casi todas las energías primarias en la tierra (ver parte superior de Figura 7). Mediante la fotosíntesis las plantas almacenan los rayos solares en energía química. El sol impulsa el ciclo hidrológico, evaporando gotas de agua a nivel del mar y precipitándolas en montañas, ofreciéndonos así agua en altura y en escurrimiento. Masas de aire calentadas por el sol generan diferencias térmicas que originan los vientos, y los vientos, a su vez, las olas del mar. Finalmente es interesante notar que el sol no solo nos envía energía en forma de radiación, sino que este también ejerce fuerza a través de su campo de gravitación sobre las masas de agua de los océanos causando las mareas. En palabras de Vladimir Vernadsky, somos todos “Hijos del Sol” [22].

Por otro lado, existen energías primarias no derivadas del sol. Aunque en la práctica no consideraremos los combustibles fósiles como energía solar, ¿qué son el carbón, petróleo y gas, sino concentrados de dinosaurios (depósitos de materia orgánica, biomasa) que bajo condiciones especiales de presión y con la suficiente paciencia (3.400 millones de años), dieron origen a un energético enriquecido? El carbón y el gas natural se pueden convertir directamente a otras formas de energía, mientras que el petróleo crudo pasa por una transformación antes de ser usado, la destilación fraccionada en la refinería. Esto genera una gama de subproductos: combustibles líquidos (diésel, gasolina, kerosene, gasóleo), combustibles gaseosos (propano6) y numerosos derivados no energéticos (lubricantes, ceras, asfalto, petroquímicos). Cabe destacar que estos derivados energéticos, como también el coque y el gas natural licuado (carbón y gas natural enriquecido, respectivamente), ya son energías secundarias.

Caja 3: ¿Cuántos litros de gasolina y diésel se obtienen a partir de un barril de petróleo?

Es usual obtener unos 45 litros de diésel y 70 litros de gasolina por barril (~120 litros) de petróleo crudo. La calidad del crudo y las eficiencias propias de cada refinería pueden impactar el número anterior, como también criterios de optimización económica que definen el mix de los derivados del petróleo en función de la demanda en el tiempo [124].

El uranio (U) junto con el –tremendamente escaso– plutonio son los únicos elementos que se conocen en la naturaleza capaces de generar una fisión en reacción de cadena (combustibles nucleares). El uranio en su forma natural se compone principalmente del isótopo 238 (es decir, 92 protones y 146 neutrones). Sin embargo, para su uso en reactores nucleares es necesario quitar tres neutrones, formando Uranio-235, dado que facilita la fisión7.Así, la mezcla entre el U-238 y U-235 (del orden de 3%) se denomina uranio enriquecido y es una energía secundaria.

Otra energía no acreditable a nuestra estrella es la geotérmica. El calor de la corteza terrestre es producto de la formación del planeta y del decaimiento radiactivo de los minerales, a excepción de los primeros metros del suelo que almacenan el calor de la radiación solar. A medida que penetramos hacia el interior de la tierra accedemos a mayores temperaturas (gradiente térmico), que es aprovechable para fines térmicos y eléctricos.

1.3.3.2.Procesos que generan calor