la energía

II. LA ENERGÍA

EN PRIMER término hay que darse cuenta de que los sistemas industriales están ligados a la energía. En la figura 19 se observa lo que sucede al crecer la población y los productos en un sistema natural como la Tierra. El crecimiento poblacional crea más demandas y, para mantener los recursos renovables, no pueden extraerse a una velocidad mayor que la de su propia generación. Por otra parte, los recursos no renovables, como el petróleo, no deberán exceder la velocidad a la cual se renuevan por fuentes que los sustituyan. Claro que esto último no puede realizarse como se desearía, de ahí que el reciclaje de los desechos, sumado al ahorro de energía y materiales, es la única manera de reducir la magnitud del problema.

El concepto de energía es uno de los más empleados en la ciencia, se asocia con cualquier tipo de actividad y a través de él se explica la inmensa mayoría de los fenómenos naturales y artificiales. Durante los siglos XVIII y XIX se hicieron descubrimientos muy importantes en todas las ramas del saber, lo que hizo surgir la necesidad de explicarlos. Una manera es definir el significado de energía. El descubrimiento de la electricidad, la invención de la pila eléctrica o el hecho de que la corriente eléctrica sea capaz de descomponer las sustancias o poner un imán en movimiento, hizo que se pensase que todos estos fenómenos pudieran deberse a una misma causa. Es así como aparece el término de energía como algo que puede producir los cambios. A través de los años, el hombre ha perfeccionado la capacidad de hacer trabajos que requieren grandes esfuerzos físicos, para dejar a las máquinas las tareas pesadas y dedicarse a labores intelectualmente más productivas. Esto ha traído como consecuencia que el consumo de energía por habitante sea cada vez mayor.

Figura 19. El ecosistema finito global comparado con el crecimiento de los subsistemas económicos y de población.

EL TRABAJO Y LA ENERGÍA

Existen muchos procesos en los que una fuerza mueve un objeto, decimos entonces que se ha producido un trabajo. La capacidad para realizar un trabajo se llama energía. La cantidad de energía que se transfiere depende de la intensidad de la fuerza y del desplazamiento de dicha fuerza, la magnitud que mide esta transferencia de energía es lo que conocemos por trabajo. Cuando se habla de las máquinas se menciona la potencia. ¿Qué significa este término? Pues que el tiempo es fundamental en el trabajo que realiza una máquina, por eso se introdujo el concepto de potencia que se define como la rapidez con que se realiza un trabajo o como la energía por unidad de tiempo, medida en vatios. El término de caballo de fuerza es una invención de J. Watt en 1782. Supuso que un caballo era capaz de jalar un peso de 180 libras y que sujeto a un malacate, daba 150 vueltas por hora recorriendo en 2.5 minutos un círculo de 24 pies de diámetro, lo cual rinde un trabajo que, haciendo las transformaciones de unidades pertinentes, resulta en 745 vatios. ¿Cuántos caballos de fuerza tiene su automóvil? Compare ese valor con un pistón de 1712 que poseía un cilindro de 0.5 m de diámetro y 2 m de largo capaz de producir 12 golpes por minuto, si le aplicamos los cálculos que conocemos actualmente, el "poderoso" aparato daba alrededor de 5.5 caballos de fuerza.

FUENTES DE ENERGíA

Cuando aludimos a las fuentes de energía, nos referimos a su origen. Una fuente de energía como la que se obtiene del petróleo puede producir energía calorífica, mecánica, química o eléctrica. Cuando hablamos de fuentes implícitamente decimos que se trata de energía aprovechable, es decir, energía que el ser humano puede utilizar para sus actividades. Existen los siguientes tipos de fuentes de energía según su origen y aprovechamiento:

1) Energía del petróleo, gas y carbón. La energía química se convierte en calor para posteriormente transformarse en electricidad u otras formas de energía. Cuando la energía que proporcionan el petróleo, gas o el carbón se obtiene en grandes cantidades, se transforma en energía eléctrica a través de las centrales termoeléctricas o carboeléctricas. En el caso de los transportes, la energía se transforma en cinética o mecánica o bien en energía calorífica cuando se trata de un calentador o una estufa.

2) Energía hidráulica. Para producirla se aprovechan las caídas del agua, por lo tanto se trata de energía potencial. Los griegos fueron los primeros en usarla, por medio de la rueda hidráulica para bombear agua que inventó Filón de Bizancio en el siglo III a.C. La energía hidráulica es energía mecánica, primero potencial y después cinética.

3) Energía nuclear. Es la que une el núcleo de los átomos. Se transforma primero en energía calorífica y ésta, a su vez, en mecánica y eléctrica. Los protones y los neutrones constituyen el llamado núcleo de los átomos y los electrones gravitan a su alrededor. Al bombardear un átomo pesado con neutrones, su núcleo se rompe o se fisiona liberando en el proceso una enorme cantidad de energía. Al fisionarse puede emitir también neutrones y si éstos son dos o tres, chocarán con otros átomos produciéndose una reacción en cadena que produce la energía nuclear.

4) Energía geotérmica. Desde tiempos remotos, el ser humano ha usado las aguas termales con diversos fines. En México, el temascal se utilizó desde la época precolombina. Existen pozos geotérmicos, es decir, formaciones rocosas que han atrapado agua y ésta se calienta por la temperatura de la Tierra pudiendo estar en forma de vapor, de mezcla vapor-líquido o líquido caliente.

5) Energía solar. La constituye la radiación solar y se emplea para producir calor o electricidad. Una forma de aprovechar la energía del Sol es mediante los llamadoscolectores, que convierten la energía solar en calor. En nuestro país existen regiones en Sonora y Baja California con altísimos promedios de radiación por año donde es posible construir centrales de energía solar para satisfacer la demanda local.

6) Energía eólica. Es la que utiliza la energía cinética de los vientos, puede aprovecharse como tal o convertirse en electricidad. Uno de sus primeros usos fue hace unos 3 500 años cuando los sumerios armaron las primeras embarcaciones de vela. Una aplicación familiar son los molinos de viento, cuya historia se remonta a la antigua Persia y que han sido usados para bombear agua y moler granos.

7) Energía de la biomasa. Resulta de la materia viva y los desechos orgánicos cuando se les usa como combustible, por lo tanto se trata de energía química que se puede transformar en cualquier forma de energía. En el uso de la biomasa como fuente energética se emplean principalmente árboles, plantas, desechos animales y vegetales. El ejemplo más conocido de utilización de la biomasa es la madera.

¿CUÁNTOS AUTOS ANDAN RODANDO?

Pudiera uno pensar que en un principio las carreteras pavimentadas se construyeron atendiendo al uso del automóvil, pero fueron construidas para atender los vehículos tirados por caballos, En un trabajo de 1974 escrito por E. Montroll y W. Badger se llegó a la conclusión que de haberse seguido construyendo carreteras con este fin se hubiera producido un desastre ecológico, aunque desde el punto de vista tecnológico el carro era una innovación tecnológica maravillosa. Veamos los cálculos de estos autores. El que se refiere a desperdicio sólido se basa en el cálculo de una producción promedio de 16 kg por día con un recorrido de 40 km diarios, mientras que el cálculo para los contaminantes líquidos se basa en suponer unos 7.5 kg por día para una travesía de 40 km diarios. Se consideran los estándares que prevalecían en 1980.

medio de transporte	contaminante	emisiones en gramos por kg
caballos	sólidos	400
	líquidos	188
automóviles	hidrocarburos	0.16
	monóxido de carbono	2.9
	óxidos de nitrógeno	0.25

En 1950 circulaban en el mundo 53 millones de automóviles; para 1988 la cantidad total de vehículos excedió los 500 millones y en 1990 se calculaba que circulaban 675 millones de vehículos, de los cuales los automóviles representan 65%, los camiones ligeros 15%, las motocicletas 15% y el resto camiones pesados. Desde 1950 el promedio anual de crecimiento ha sido de 9.5 millones, es decir 5.9% anual. Para acabar con las estadísticas diremos que la población de vehículos ha crecido más rápidamente que la humana. Para el año 2000 se espera que en los países desarrollados dicho crecimiento no se incremente notablemente, pero este patrón no será el mismo para el resto del mundo donde se espera mayor crecimiento de la población y mayor urbanización. Esto lleva a predecir que la flota de vehículos alcanzará 900 millones de unidades en 2010. Más grave es la cifra que nos expresa el número de kilómetros recorridos por vehículos de motor anuales: 8 000 000 000 000. ¿A qué se debe esto?

La respuesta se relaciona con el incremento de la urbanización. Las ciudades crecen más horizontal que verticalmente, lo que provoca que las tierras rurales pasen a ser urbanas. La distancia de los lugares residenciales al centro del comercio de las ciudades crece, e induce a que el número de kilómetros recorridos también crezca.

PREDICCIONES SOBRE EL CONSUMO DE CARBURANTE

El crudo y sus derivados se han convertido desde el inicio de su explotación en la fuente energética primaria de mayor importancia. En 1991 de los 57 232 millones de barriles de petróleo equivalente, es decir energía expresada como barriles de petróleo, 41% provino del crudo, 22% del gas y el resto de otras formas de energía como la nuclear, la hidráulica y la geotérmica.

En México para el mismo año, las proporciones son todavía más dependientes del crudo: de 883 millones de barriles, 61 % proviene del crudo, 29% del gas y 10% de otros (figura 20).

En el pasado, la gasolina era considerada un producto secundario de los procesos de refinación, y su obtención carecía de importancia. Ahora es el producto principal que mueve al transporte en el mundo. Para México, la figura 21 nos muestra el consumo nacional de energía destinado al transporte.

En 1994 se consumieron 502 000 barriles diarios que seguramente llegarán a 586 000 en 2005, como se muestra en la figura 22. En el mundo, en 1994, se consumieron 800 millones de toneladas.

¿Por qué hacemos tanto hincapié en el consumo de gasolina? La explicación tiene que ver con el desperdicio que se genera en un coche por la poca eficiencia de la combustión, que es uno de los grandes motivos de investigación en el mundo, ya que se trata de elevarla al máximo.

EL RENDIMIENTO ENERGÉTICO

La energía obtenida del carbón, petróleo, gas, biomasa, energía hidráulica y calor generado en un reactor nuclear es la energía primaria, que no se utiliza en forma directa sino trasformada en energía secundaria. La ventaja de ésta es que tiene una amplia gama de utilización y comodidad de uso: electricidad, gasolina, gas avión, etc. La energía secundaria se suministra como energía final y otra parte es rechazada y devuelta a la naturaleza como "calor residual". Las consideraciones acerca de la eficiencia energética se centran en la que se deriva de la explotación, transporte y tratamiento de la energía primaria para su conversión, almacenaje de la secundaria, sistemas de distribución, redes de transporte y, finalmente, en la transformación útil para el consumo final, y en los medios de conversión como focos, cocinas o motores de vehículos.

 

Figura 20. Comparación del consumo de energía primaria en México vs otros lugares del mundo. Millones de barriles de petróleo equivalentes.

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