Fragmento de La energía.
De Antonio Moreno González.
Capítulo 2.
El desarrollo tecnológico ha sido el elemento básico que ha permitido al hombre utilizar nuevas fuentes de energía de manera cada vez más eficiente. Pero este progreso también tiene sus límites.
Todos los procesos de aprovechamiento energético recurren en un momento al intercambio de energía térmica. La utilización de combustibles fósiles o de la biomasa obtiene la energía a partir de recursos de combustión que liberan la energía térmica que se utiliza para calentar un fluido. La energía nuclear genera una energía cinética que se transforma en energía térmica. El aprovechamiento de la energía hidráulica ha requerido una evaporación previa de agua por la acción térmica solar. La energía eólica es consecuencia de las variaciones térmicas en la atmósfera.
La limitación principal de las tecnologías de generación de energía viene impuesta por la propia naturaleza. La termodinámica es la parte de la física que trata de los fenómenos relacionados con la energía térmica y de las leyes que rigen su transformación en otro tipo de energía. La variación de energía térmica acumulada en un medio en un proceso de calentamiento o de enfriamiento se obtiene como el producto de la masa del medio, por su calor específico y por el salto térmico. Pero no toda la energía térmica almacenada en un medio es utilizable.
El siglo pasado se enunció el primer principio de la termodinámica o principio de conservación de la energía. Puede enunciarse así: «La energía puede transformarse de calor en trabajo o de trabajo en calor, siendo constante su relación de equivalencia». Es la conocida relación de 4 185 julios por caloría.
El segundo principio, enunciado en 1851 por lord Kelvin, afirma que «es imposible realizar una transformación cuyo único resultado sea la conversión en trabajo del calor extraído de una sola fuente a temperatura uniforme». El principio puede exponerse de diferentes formas. Pero la limitación que impone es que la transformación sólo es posible si se toma energía de un foco caliente y parte de ella se devuelve a un foco más frío. La diferencia entre la energía tomada y la devuelta es la energía térmica que se ha transformado en trabajo. Es decir, sólo es aprovechable una parte de la energía tomada del foco caliente.
Se introduce así un concepto conocido como rendimiento del ciclo termodinámico, que es la relación entre el trabajo conseguido y la energía térmica puesta en juego en el foco de mayor temperatura. La energía no aprovechada, que no ha podido ser transformada en trabajo, se libera en forma de calor, pero a una temperatura más baja que la original. Este segundo principio es la manifestación de que en un ciclo termodinámico no es posible volver al estado inicial. Los procesos termodinámicos naturales son irreversibles. Para recuperar la energía térmica original a la temperatura original sería necesario aportar energía desde fuera del sistema. No es posible elevar la temperatura del foco frío sin un aporte de energía exterior. Esta observación se enuncia como el teorema de Clausius, según el cual existe una función de estado, que depende sólo de la situación y no del camino como se ha llegado a él, que crece en todo proceso termodinámico irreversible. Esta función se llama entropía y es una medida de la irreversibilidad acumulada en el proceso.
El tercer principio de la termodinámica se enuncia como «la variación de entropía asociada a cualquier proceso termodinámico tiende a cero cuando la temperatura tiende al cero absoluto». Es decir, siempre que la temperatura sea superior al cero absoluto (-273 ºC) se producirán procesos termodinámicos irreversibles con crecimiento de entropía.
Las consecuencias de estas limitaciones son claras: todos los procesos termodinámicos enfrían el universo. La energía térmica es una energía más degradada cuanto menor es la temperatura del medio que la sustenta. A menor temperatura, su potencial de ser transformada en trabajo es menor. Por otro lado, a menor temperatura, la energía acumulada en una cierta cantidad de masa es menor. Se requiere más masa para acumular una cierta cantidad de energía.
Los sistemas desarrollados por el hombre para aprovechar la energía térmica de los combustibles se basan en calentar un fluido a 200 o 300 ºC a una elevada presión, de 80 a 150 kg/cm2, para que al expandirse en una turbina la haga girar. A su vez, esta turbina hace girar el rotor de un generador eléctrico. El rendimiento de este ciclo varía entre el 35 % y el 45 %. Actualmente, utilizando turbinas de gas se alcanzan rendimientos del 50 %. Con la energía nuclear el proceso es semejante, pero los rendimientos se quedan en el 35 %. En la actualidad se están desarrollando múltiples tecnologías que pretenden aumentar los recursos y los rendimientos, reduciendo al mismo tiempo el impacto ambiental.
En las tecnologías convencionales de conversión térmica la temperatura del foco caliente es de varios cientos de grados; la temperatura del foco último más frío del conjunto de procesos apenas llega a unas decenas de grados. El salto térmico ha sido de unos centenares de grados. La energía se devuelve al entorno a una temperatura ligeramente superior a la del ambiente. Para aumentar el rendimiento del proceso se ha maximizado la degradación de la energía no transformada.
Las energías renovables son energías degradadas. Energías de baja temperatura y difusas, de baja densidad. Los posibles rendimientos son muy inferiores a los indicados más arriba. Su ventaja es que su cuantificación global supone unos recursos muy elevados.
La dispersión, o baja densidad espacial, de estas energías limitan sus posibilidades de aprovechamiento. Se requieren extensiones muy grandes de terreno para recolectar cantidades significativas de energía. Ello implica perturbaciones en el entorno que no son despreciables. Las perturbaciones serían más tolerables en lugares alejados de las áreas habitadas. Por ejemplo, los círculos polares, donde podría aprovecharse la acción del viento; los desiertos, donde la insolación media es más elevada. Aun así, dado nuestro escaso conocimiento del funcionamiento de nuestra atmósfera, podría suceder que la perturbación de los vientos polares o la absorción solar en el desierto, por la absorción de cantidades significativas de energía, podría perturbar el régimen de vientos en el casquete polar o el régimen de lluvias en el desierto. No hay que olvidar que una central térmica perturba el microclima del área donde está instalada. Lo mismo sucede con la creación de embalses. El grado de perturbación es función del tamaño de la explotación.
Las tecnologías desempeñan un papel fundamental en la seguridad del abastecimiento, la eficiencia energética y la protección del medio ambiente. Son un factor de desarrollo y de posicionamiento de las industrias energéticas en el mercado mundial. Tanto en las técnicas de producción como en las de utilización y consumo de energía. Además fomentan el desarrollo de tecnologías conexas en otros campos tales como protección medioambiental, y tecnologías de control y de información.
Descontando los desarrollos tecnológicos asociados a la fusión nuclear, el futuro tecnológico estará asociado al perfeccionamiento de los procedimientos existentes de producción y utilización de la energía. Este avance tecnológico estará supeditado a la mejora de la eficacia, a la reducción de costes y a la reducción del impacto ambiental. La energía se utilizará más eficientemente mediante las tecnologías de control y de automatización.