Bienvenidos a Sistemas de Generación de Energía Eléctrica

La presente página es un proyecto académico el cual tiene como finalidad recopilar y difundir distintos conocimientos en torno a  la generación eléctrica desde una perspectiva química.

Taller 1  : Producción de energía a partir de recursos fósiles.

1. Estructurar un ecosistema donde su finalidad sea la producción de hidrocarburo y/o carbono.

2. Esquematizar y explicar la forma de exploración, perforación y conducción de hidrocarburo. 

3. Esquematizar y explicar una refinería de hidrocarburos, teniendo en cuenta los subproductos que se generan.

4. Esquematizar y explicar la energía que se produce en los recursos fósiles y cómo se transforma en energía eléctrica.

5. Esquematizar y explicar como se transforma el carbón en la naturaleza. 

6. Mencionar indices y porcentajes de producción de energía fósil en Colombia.

7. Ventajas y desventajas ambientales de cada una de las tres formas de generación de energía plantadas en el taller.  

 Solución

 1. Cerrejón Norte es una mina de carbón a cielo abierto ubicada en la región de La Guajira, Colombia. La región es conocida por sus vastas reservas de carbón y su importancia en la industria minera del país.La mina es operada por Carbones del Cerrejón Limited, una empresa conjunta propiedad de tres grandes compañías mineras: BHP (anteriormente BHP Billiton), Anglo American y Glencore. La mina se encuentra en un área predominantemente plana, con algunas elevaciones menores. La topografía relativamente plana facilita las operaciones mineras a cielo abierto. La región de La Guajira tiene un clima árido o semidesértico, con temperaturas cálidas durante todo el año y precipitaciones escasas. Las temperaturas pueden superar los 40 grados Celsius durante el día y disminuir durante la noche. La vegetación en la región de Cerrejón Norte es típicamente escasa y consiste principalmente en arbustos y vegetación adaptada a condiciones áridas. La región no cuenta con una gran cantidad de recursos hídricos superficiales, lo que puede representar un desafío para las operaciones mineras en términos de abastecimiento de agua para los procesos industriales y el manejo de residuos, siendo el Arroyo Pesquería el cuerpo de agua más próximo a la mina. La fortaleza ecosistema del Cerrejón Norte es su cantidad de alta calidad que se encuentran en sus grandes yacimientos.

Imagen de Cerrejón Norte, minería a cielo abierto.
Concesión Santa Marta - Paraguachón S.A (s.f.) 

2. La extracción de hidrocarburos y carbón implica distintas técnicas que son aplicadas según el medio. A continuación se exponen los distintos tipos de perforación:

I. Perforación Vertical: Se perfora un pozo directamente hacia abajo, siguiendo la dirección vertical. Es adecuado para reservorios de hidrocarburos que se encuentran directamente debajo del punto de perforación.

 

Perforación vertical.
Wikipedia (s.f.)

II. Perforación Direccional: Se perfora el pozo en un ángulo controlado desde la vertical hacia el objetivo deseado. Se utiliza cuando el yacimiento de hidrocarburos se encuentra debajo de áreas inaccesibles o para aumentar la producción al alcanzar múltiples zonas productoras.

Ilustracion de de una perforación direccionada.
steemit.com (2020)

III. Perforación Horizontal: Se perfora inicialmente verticalmente y luego se desvía para continuar horizontalmente dentro del yacimiento. Aumenta significativamente la exposición al yacimiento, permitiendo una mayor recuperación de hidrocarburos.

Ilustracion de perforación horizontal. 
Ingenieriadepetroleo.com (2024)

IV. Perforación Multilateral: Involucra la perforación de múltiples ramificaciones horizontales desde un pozo madre. Aumenta aún más la exposición al yacimiento y maximiza la producción

Ilustración torre izquierda con perforación multilateral.
portaldelpetroleo.com (2020).

V. Perforación de Pozos de Alivio (Sidetrack): Se realiza para corregir problemas en el pozo original, como desviaciones no deseadas o problemas técnicos.Implica la perforación de un pozo secundario desde el pozo original para alcanzar el objetivo deseado.

Ilustración de pozo de alivio.
victoryepes.blogs.upv.es (2020).

VI. Perforación Extendida: Implica la perforación a larga distancia desde la ubicación de la plataforma o de la plataforma marina para alcanzar el yacimiento objetivo. Utilizado cuando las restricciones de ubicación impiden la perforación directa sobre el yacimiento.

 

Ilustracion de perforaciones extendidad hasta ultra extendidas.
Universidad Nacional Autonoma de Mexico (UNAM), (s.f.).

Respecto a los distintos tipos de exploración, contamos con:

I. Exploración Geológica: Estudio de la geología de una región para identificar posibles yacimientos de hidrocarburos.Análisis de estructuras geológicas como pliegues, fallas y anticlinales que pueden contener acumulaciones de hidrocarburos.

Exploración geológica en Cundinamarca.
Cambio Colombia (2024).

II. Geofísica: Uso de técnicas como la sísmica de reflexión para generar imágenes del subsuelo y detectar posibles estructuras geológicas favorables para la acumulación de hidrocarburos. Empleo de métodos electromagnéticos, gravimétricos y magnetotelúricos para mapear características del subsuelo.

 

III. Perforación de Pozos Exploratorios: Perforación de pozos exploratorios para confirmar la presencia de hidrocarburos y evaluar su cantidad y calidad. Utilización de técnicas de registro de pozos para analizar las características de las formaciones geológicas atravesadas.

Pozo exploratorio en Trinidad y Tobago.
bnamericas.com (2020).

IV. Exploración Sísmica: Utilización de explosiones controladas o vibraciones para generar ondas sísmicas que viajen a través del subsuelo y sean reflejadas por las capas geológicas. Captura y procesamiento de los datos sísmicos para interpretar la estructura geológica y la presencia de posibles trampas de hidrocarburos.

Ilustracion de como finciona la exploracion sismica.
http://petroleomundo.blogspot.com (2010).

V. Exploración en Cuencas Sedimentarias: Enfoque en regiones con historial geológico favorable para la acumulación de sedimentos orgánicos y la formación de hidrocarburos. Análisis de la historia geológica de la cuenca y de la deposición de sedimentos para identificar áreas prospectivas.

 

Transformación de una cuenca sedimentaria.
researchgate.net (s.f.)

VI. Tecnologías Avanzadas: Uso de tecnologías de vanguardia como la teledetección, la geoquímica de superficie y la inteligencia artificial para mejorar la eficiencia y precisión en la exploración. Aplicación de herramientas de modelado y simulación para predecir la distribución de hidrocarburos en el subsuelo. 

VII. Exploración Offshore: Búsqueda de hidrocarburos en áreas marinas utilizando plataformas de perforación offshore y tecnologías submarinas. Empleo de sísmica marina y otros métodos adaptados a las condiciones del entorno marino.

Estacion para la exploracion Offshore.
estacionk2.com (2023)

Para la conducción de hidrocarburos se utilizan las siguientes técnicas: 

I. Pipelines (oleoductos y gasoductos): Tubos de acero que transportan hidrocarburos líquidos o gaseosos a largas distancias. Ampliamente utilizado debido a su eficiencia y capacidad para transportar grandes volúmenes. Requiere una infraestructura sólida para su construcción y mantenimiento.

Fotografia de los conductos de hidrocarburos y gases.
energyconnectionscanada.com (2023)

II. Transporte marítimo: Barcos cisterna que transportan grandes cantidades de petróleo crudo y productos refinados. Flexibilidad en términos de rutas y destinos, pero enfrenta riesgos ambientales significativos en caso de derrames.

Fotografía de barco de transporte de hidrocarburos.
noticiaslogisticaytransporte.com (2020)

III. Transporte por ferrocarril: Trenes que transportan petróleo crudo y productos refinados en vagones cisterna. Mayor flexibilidad en comparación con los oleoductos, pero también puede ser más costoso y presenta riesgos de seguridad.

Foto de ferrocarril usado para el transporte de hidrocarburos en Canadá. 

rcinet.ca (2014)

IV. Transporte por carretera: Camiones cisterna que transportan hidrocarburos a distancias cortas o medianas. Flexible y adecuado para entregas locales, pero con un mayor riesgo de accidentes y costos operativos más altos.

Foto de camión sistema usado para el transporte de hidrocarburos. 

Academia del transportista (s.f.) 

V. Transporte por tuberías flexibles (offshore): Utilizado para transportar petróleo y gas desde plataformas marinas hasta instalaciones en tierra. Ofrece una solución eficiente para la extracción en alta mar, pero requiere un mantenimiento cuidadoso debido a las condiciones adversas del entorno marino. 

Tubos flexibles para el transporte. morkengroup.com (s.f.) 

VI. Transporte por barcazas fluviales: Utilizado en ríos y canales para transportar hidrocarburos a instalaciones costeras o interiores. Menos costoso que el transporte terrestre y marítimo, pero puede verse afectado por las condiciones del agua y la navegabilidad de los cuerpos de agua.

Barcaza fluvial sobre el Magdalena. 

Naviera central (s.f.) 

VII. Transporte por oleoductos submarinos: Utilizado para transportar petróleo y gas desde plataformas submarinas hasta terminales en tierra. Reduce la necesidad de barcos cisterna y puede ser más rentable en ciertas condiciones, pero requiere una infraestructura submarina compleja y un mantenimiento cuidadoso.

 

Fotografía de oleoducto submarino.
freepik.es (s.f.) 

3. El refinamiento del crudo tiene distinto procesos para poder tener productos finales como lo son gasolina, kerosina, nafta, entre otros. El proceso es el siguiente según SENER. Prospectiva de petrolíferos 2002-2011.

 

Esquema de una refinería, a continuación se explica de forma detallada. 
Organización propia. (2024).

I. Destilación atmosférica: Consiste en la separación de la mezcla de hidrocarburos líquidos en componentes más específicos, mediante la aplicación de calor hasta lograr vaporizar cada componente, aprovechando que cada uno de ellos posee diferente punto de ebullición.

Esquema de primera separación de compuestos del crudo por exposición a tempertura.
kenhdaotao (2023) 

II. Destilación al vacío: Proceso intermedio para extraer, del residuo atmosférico, el gasóleo usado como carga a las plantas de desintegración catalítica FCC, así como las fracciones para elaboración de aceites lubricantes. 

Ilustración de equipo para la destilación al vacío donde se transforma los residuos de la destilación atmosférica para generar nuevos productos. 

Inspenet (2023) 

III. Desintegración catalítica: Proceso que consiste en descomponer las moléculas de hidrocarburos más grandes, pesadas o complejas, en moléculas más ligeras y simples. Se lleva a cabo mediante la aplicación de calor y presión y, mediante el uso de catalizadores (térmica). La utilización de este proceso permite incrementar el rendimiento de gasolina y de otros productos importantes que tienen aplicaciones diversas en la industria del petróleo.

 

Ilustración de maquinaria para la desintegración catalítica.
Semantic Scholar (s.f.)

IV. Hidrotratamiento: Proceso cuyo objetivo es estabilizar catalíticamente los petrolíferos, además de eliminar los componentes contaminantes que contienen, haciendo los reaccionar con hidrógeno a temperaturas comprendidas entre 315 y 430 °C a presiones que varían de 7 a 210kg/cm2, en presencia de catalizadores diversos.

Ilustracion del hidrotatamiento en refinerias.
webaero.net (s.f.)

V. Reducción de viscosidad: Proceso empleado en la refinación de petróleo para obtener hidrocarburos de bajo peso molecular tal es como gases, gasolina, gasóleos y residuo de baja viscosidad, apartir de residuos de vacío de alta viscosidad.

VI. Coquización: Equipo instalado en una línea de conducción de gas para incrementar la presión y garantizar el flujo de fluido a través de la tubería.

Ilustracion de la coquización en refinerias.
webaero.net (s.f.)

VII. Alquilación: Los procesos de alquilación comprenden la combinación de una olefina con un hidrocarburo parafínico o aromático, en presencia de un catalizador. El proceso involucra la unión de propileno o butilenos con isobutano, en presencia de ácido fluorhídrico o sulfúrico como catalizador, para formar una isoparafina denominada alquilado ligero.​

Ilustracion de la alquilación en refinerias.
webaero.net (s.f.)

 VIII. Reformación: Proceso que mejora la calidad antidetonante de fracciones de la gasolina modificando la estructura molecular. Cuando se lleva a efecto mediante calor, se le conoce como reformación térmica y como reformación catalítica, cuando se le asiste mediante un catalizador. 

Ilustración de reformación en refinerias.
krohne.com (s.f.)

IX. Isomerización: Proceso mediante el cual se altera el arreglo fundamental de los átomos de una moléculas inadherir o sustraer nada de la molécula original. 

Imagen ilustractiva del proceso de isomerización en refinerias.
Tomada de Google imagenes (s.f.)

X. TAME y MTBE: Oxigenantes que se utilizan como aditivo para incrementar el octanaje en la gasolina, y su utilización de pende de la legislación (ambiental) con relación a la composición y calidad de las gasolinas.

Esquema proceso para la producción de MTBE.
gustato.com (s.f.)

 

5. "El carbón es el resultado de la acumulación de restos vegetales en zonas pantanosas o lacustres, que han sufrido posteriormente un proceso de compactación y transformación química debido a la presión y la temperatura." (Garcia 2015).


Ilustración donde se evidencia el proceso para la generación del carbón.
Mina Invierno S.A. (s.f.)

Como se menciona anteriormente el proceso de producción de carbón complejo dado por materia orgánica vegetal. Las cuatro etapas generales que hay en la generación del carbón son:

I. Acumulación de materia vegetal: La materia vegetal, como hojas, troncos y raíces, se acumula en zonas con condiciones favorables, como pantanos, lagos o áreas boscosas.

Fotografia donde se ve material vegetal acumulado en suelo.
Wikipedia (2012)

II. Enterramiento y compactación: Con el tiempo, las capas de materia vegetal se entierran bajo sedimentos, lo que ejerce presión sobre ellas. Este proceso de compactación comprime la materia vegetal, eliminando gradualmente el contenido de agua y otros elementos volátiles.

III. Calentamiento y cBajo la presión y temperatura del entierro, la materia vegetal experimenta un proceso de descomposición anaeróbica, donde se descomponen los componentes orgánicos de la planta. Este proceso libera gases como el metano y el dióxido de carbono, mientras que se retienen los elementos sólidos, como el carbono.

IV. Transformación en lignito, hulla o antracita: Con el tiempo y dependiendo de las condiciones específicas de presión y temperatura, el carbón experimenta una serie de cambios químicos y físicos que lo convierten en distintas formas de carbón, como lignito, hulla o antracita. Este proceso se conoce como carbonización.

Ilustración de los pasos finales de la generación de carbón.
Climatica.org (s.f.)

 

6. Colombia es uno de los países con mayor recursos fósiles por lo cual una de las mayores rubricas en el PIB  del país son los hidrocarburos y el carbón. el Ministerio de Energía de Colombia nos da las siguientes cifras respecto a la demanda de hidrocarburos en el país: Del 2021 al 2022 hubo 37 millos de barriles más, siendo para la ultima fecha 2.073.000.000 de barriles, al equivalente a un crecimiento del 1,017 %; siendo el departamento del Meta quien aporto el 54% de la extracción. Por su parte la industria del carbón arrojan las siguiente cifras según la Agencia de Minería Nacional: para el 2021 hubo una extracción de 52,9 millones de toneladas, una cifra menos en referencia al año directamente anterior sin embargo, en regalías fue in incremento casi equivalente al 50% dado por la volatilidad del mercado que corrió a favor del país; A nivel Latinoamerica Colombia para el 2021 fue el país con indices de mayor extracción de dicho combustible fósil, en este rubro el departamento del Cesar fue quien lideró a nivel nacional esta actividad.

 

7. Los procesos anteriormente explicados tienen tanto ventajas como desventajas. el caso del carbón: 

Ventajas del carbón: Abundante: El carbón es una fuente de energía abundante en muchas partes del mundo, lo que lo hace fácilmente accesible y relativamente económico en comparación con otras fuentes de energía; Fiabilidad: Las centrales eléctricas de carbón pueden operar de manera constante y predecible, lo que proporciona una base confiable para la generación de energía; Infraestructura existente: Muchos países ya tienen una infraestructura establecida para la extracción, transporte y generación de energía a partir del carbón, lo que facilita su uso continuo; Tecnología de captura de carbono: Se están desarrollando tecnologías para capturar y almacenar las emisiones de carbono producidas por las plantas de carbón, lo que podría ayudar a reducir su impacto ambiental.

Desventajas del carbón: Contaminación: La quema de carbón produce una gran cantidad de contaminantes atmosféricos, incluidos dióxido de azufre, óxidos de nitrógeno y partículas de hollín, que contribuyen a la contaminación del aire y al cambio climático; Impacto ambiental: La minería de carbón puede tener un impacto significativo en el medio ambiente, incluida la destrucción de hábitats naturales, la contaminación del agua y la generación de desechos mineros; Salud humana: La contaminación del aire y del agua asociada con la producción y el uso de carbón puede tener efectos adversos para la salud humana, como problemas respiratorios, enfermedades cardiovasculares y cáncer; Emisiones de gases de efecto invernadero: La quema de carbón es una de las principales fuentes de emisiones de gases de efecto invernadero, lo que contribuye significativamente al cambio climático y al calentamiento global.

Ventajas del gas natural: Menor emisión de gases de efecto invernadero: El gas natural produce menos dióxido de carbono (CO2) en comparación con otras fuentes de energía fósil como el carbón y el petróleo; Abundancia: Es una fuente de energía relativamente abundante en muchas regiones del mundo; Mayor eficiencia en la generación de energía: Las centrales eléctricas de gas natural son más eficientes en la conversión de energía que las centrales de carbón;Versatilidad: Puede utilizarse en una variedad de aplicaciones, incluyendo la generación de electricidad, calefacción doméstica, cocina y combustible para vehículos; Menor contaminación local: Produce menos contaminantes atmosféricos locales (como óxidos de azufre y partículas) en comparación con el carbón y el petróleo.

Desventajas del gas natural: Combustión incompleta: La combustión de gas natural puede generar óxidos de nitrógeno (NOx), que contribuyen a la contaminación atmosférica y la formación de smog; Methane: El gas natural es principalmente metano, un potente gas de efecto invernadero que puede escapar durante la extracción, transporte y almacenamiento, contribuyendo al calentamiento global; Infraestructura requerida: Se necesita una infraestructura costosa para transportar y distribuir el gas natural, lo que puede ser un desafío en áreas remotas o en desarrollo; Dependencia de suministro: Las fluctuaciones en el suministro de gas natural, ya sea por razones geopolíticas o de mercado, pueden afectar los precios y la estabilidad energética de un país;Impacto ambiental de la extracción: La extracción de gas natural mediante técnicas como la fracturación hidráulica (fracking) puede tener impactos negativos en el medio ambiente, como la contaminación del agua y la degradación del paisaje.

Ventajas del petróleo: Abundancia y disponibilidad: El petróleo es una de las fuentes de energía más abundantes y ampliamente disponibles en el mundo. Se encuentra en muchos lugares del planeta, lo que facilita su extracción y distribución; Alta densidad energética: El petróleo tiene una alta densidad energética, lo que significa que una pequeña cantidad de petróleo puede producir una gran cantidad de energía. Esto lo hace eficiente en términos de almacenamiento y transporte; Versatilidad de uso: El petróleo se utiliza en una amplia gama de aplicaciones, desde la generación de electricidad hasta el transporte, la fabricación de productos químicos y la producción de plásticos. Su versatilidad lo convierte en una fuente de energía indispensable en la sociedad moderna; Infraestructura desarrollada: La industria petrolera ha desarrollado una infraestructura sólida a lo largo de los años, lo que facilita su extracción, refinación y distribución en todo el mundo.

Desventajas del petróleo: Impacto ambiental: La extracción, transporte y combustión de petróleo tienen un impacto significativo en el medio ambiente. Esto incluye la contaminación del aire, del agua y del suelo, así como la contribución al cambio climático debido a las emisiones de gases de efecto invernadero; Agotamiento de recursos: Aunque el petróleo es una fuente de energía abundante, es un recurso finito y no renovable. Con el tiempo, las reservas de petróleo accesibles se agotarán, lo que podría llevar a problemas de suministro y aumentar los costos; Dependencia económica y geopolítica: Muchos países dependen en gran medida del petróleo como fuente de ingresos y energía. Esto puede llevar a una dependencia económica y a problemas geopolíticos, como conflictos por el control de los recursos petroleros y fluctuaciones en los precios del petróleo; Riesgos para la seguridad: La extracción y transporte de petróleo conllevan riesgos para la seguridad, como derrames de petróleo, explosiones e incendios. Estos incidentes pueden tener consecuencias devastadoras para el medio ambiente, la salud humana y la economía local.

Referencias:

• Agencia Nacional de Minería. (2022). Ficha de Barbón 05 2022. 
  
• Ministerio de Minas y Energía. (2023). Informe de recursos y reservas con corte diciembre de 2022: Insumo para la transición energética justa en Colombia. Recuperado el 29 de febrero de 2024, de https://www.minenergia.gov.co/es/sala-de-prensa/noticias-index/informe-de-recursos-y-reservas-con-corte-diciembre-de-2022-insumo-para-la-transición-energética-justa-en-colombia/
  
• Víctor Manuel García Pérez. (2015). "Geología y Petrología del Carbón". Editorial Universidad de Sevilla.

 

Taller 2  : Pirólisis 

¿Qué es la pirólisis?

La pirólisis es un proceso térmico que descompone materiales orgánicos en ausencia de oxígeno o en condiciones de baja disponibilidad de oxígeno. Este proceso produce una variedad de productos, incluyendo gases, líquidos y sólidos carbonosos (carbón vegetal). La pirólisis se utiliza en diversas aplicaciones, como la producción de biocombustibles, la gestión de residuos y la recuperación de materiales valiosos a partir de desechos orgánicos.

 ¿Cuáles son los parámetros que requiere la biomasa para realizar la pirólisis?

El proceso de la pirólisis es un proceso que solo es efectivo cuando  hay un cumplimento estricto de algunos parámetros que están directamente involucrados, dichos parámetros son:
 

• Tipo de Biomasa: La composición química y física de la biomasa influye en su comportamiento durante la pirólisis. Diferentes tipos de biomasa, como madera, residuos agrícolas o algas, pueden producir diferentes productos durante el proceso de pirólisis.

• Tamaño de Partícula: El tamaño de partícula de la biomasa puede afectar la eficiencia y la velocidad del proceso de pirólisis. Una biomasa con partículas más pequeñas puede calentarse más rápidamente y tener una mayor área de superficie disponible para la reacción de pirólisis.

• Contenido de Humedad: El contenido de humedad de la biomasa puede influir en su capacidad para calentarse y descomponerse durante la pirólisis. La presencia de agua en la biomasa puede requerir una mayor cantidad de energía para calentarla y evaporarla antes de que comience la descomposición térmica, dicha humedad debe ser igual o inferior al 10%.

• Temperatura: La temperatura es uno de los parámetros más críticos en el proceso de pirólisis. La temperatura de operación puede variar según el tipo de biomasa y el producto deseado. Se pueden aplicar diferentes temperaturas para maximizar la producción de biochar, bioaceite o gases combustibles.

• Tiempo de Retención: El tiempo que la biomasa pasa a una determinada temperatura durante el proceso de pirólisis, conocido como tiempo de retención, es importante para determinar la composición y la calidad de los productos finales.

• Atmósfera de Reactor: La pirólisis puede llevarse a cabo en diferentes atmósferas, como nitrógeno, argón o vapor de agua. La elección de la atmósfera puede afectar significativamente la composición y los rendimientos de los productos de la pirólisis.

• Velocidad de Calentamiento: La velocidad a la que se calienta la biomasa también puede influir en el proceso de pirólisis. Velocidades de calentamiento más rápidas pueden favorecer la producción de ciertos productos, mientras que velocidades más lentas pueden producir productos diferentes.
  
  

 ¿Cuál es el proceso para realizar la pirólisis?

1. Secado: En esta etapa, la biomasa se calienta inicialmente para eliminar la humedad presente en su interior. La temperatura de esta etapa suele ser relativamente baja.

2. Descomposición: Una vez que la biomasa está seca, se aumenta la temperatura para iniciar la descomposición térmica de la materia orgánica. A medida que se alcanzan temperaturas más altas, los enlaces químicos en la biomasa se rompen, produciendo una variedad de productos gaseosos, líquidos y sólidos.

3. Formación de Gases: Durante la descomposición, se generan gases volátiles, como hidrocarburos, monóxido de carbono, dióxido de carbono, metano, entre otros. Estos gases pueden ser utilizados como combustibles o convertidos en productos químicos útiles.

4. Formación de Líquidos: Además de los gases, se producen líquidos durante la pirólisis, conocidos como bioaceites o alquitranes. Estos líquidos pueden ser utilizados como biocombustibles o como materias primas para la producción de productos químicos.

5. Formación de Carbón Vegetal: El residuo sólido que queda después de la pirólisis se conoce como carbón vegetal o biochar. Este sólido carbonoso tiene aplicaciones como fertilizante agrícola, adsorbente de contaminantes y material para mejorar la calidad del suelo.

    
    Esquema sobre como funciona la pirólisis
   todoenpolimeros.com (s.f.)

 ¿Qué tipos de pirólisis existen?

1. Pirólisis Rápida: En la pirólisis rápida, también conocida como pirólisis flash o pirólisis rápida en lecho fluidizado, la biomasa se calienta rápidamente a temperaturas relativamente altas (400-800°C) en un corto tiempo (unos pocos segundos a minutos) en ausencia de oxígeno o en condiciones de baja disponibilidad de oxígeno. Este proceso produce principalmente bioaceite, gases y carbón vegetal de alta calidad.

2. Pirólisis Lenta o Carbonización: En la pirólisis lenta, la biomasa se calienta a temperaturas más bajas (200-400°C) durante un período de tiempo más largo (horas a días) en ausencia de oxígeno. Este proceso produce principalmente carbón vegetal y gases, con una menor producción de bioaceite en comparación con la pirólisis rápida.

3. Pirólisis Flash: La pirólisis flash es un tipo de pirólisis rápida en la que la biomasa se calienta rápidamente a temperaturas muy altas (800-1000°C) en un tiempo extremadamente corto (milisegundos a segundos) en un reactor especial de alta velocidad. Este proceso es eficiente para la producción de gases y puede utilizarse para la producción de hidrógeno.

4. Pirólisis Hidrotérmica: En la pirólisis hidrotérmica, la biomasa se trata en presencia de agua a altas temperaturas (200-350°C) y presiones moderadas. Este proceso produce principalmente bioaceite y gases, y se considera una ruta prometedora para la producción sostenible de biocombustibles líquidos.

5. Pirólisis Supercrítica: La pirólisis supercrítica implica el uso de un solvente supercrítico, como agua o dióxido de carbono, para realizar la pirólisis de la biomasa a altas temperaturas y presiones. Este proceso puede mejorar la eficiencia de conversión y la selectividad de productos.

                                    

Diagrama con las características de la pirólisis lenta y rapida
researchgate.net (s.f.)

Ventajas y desventajas de la pirólisis

Ventajas:

1. Producción de Energía Renovable: La pirólisis convierte la biomasa en productos útiles, como bioaceite, gases y carbón vegetal, que pueden ser utilizados como fuentes de energía renovable.

2. Reducción de Residuos: La pirólisis permite la valorización de residuos orgánicos, como residuos agrícolas, forestales o municipales, convirtiéndolos en productos de valor, en lugar de depositarlos en vertederos.

3. Diversificación Energética: La pirólisis proporciona una opción para diversificar la matriz energética, reduciendo la dependencia de los combustibles fósiles y contribuyendo a la mitigación del cambio climático.

4. Obtención de Productos de Valor Agregado: Además de la producción de energía, la pirólisis puede producir otros productos de valor, como bioaceites que pueden ser utilizados como materias primas para la industria química.

5. Reducción de Emisiones de Gases de Efecto Invernadero: La pirólisis puede contribuir a la reducción de emisiones de gases de efecto invernadero en comparación con la quema directa de biomasa, especialmente cuando se captura y se utiliza el carbono en forma de carbón vegetal.

Desventajas:

1. Requiere Tecnologías Específicas: La pirólisis requiere equipos y tecnologías específicas que pueden ser costosos de implementar y mantener, especialmente para procesos de alta eficiencia y producción a gran escala.

2. Complejidad en la Gestión de Residuos: Aunque la pirólisis puede reducir la cantidad de residuos orgánicos, el manejo adecuado de los productos generados, como el bioaceite y el carbón vegetal, puede plantear desafíos logísticos y medioambientales.

3. Consumo de Energía: Algunos procesos de pirólisis requieren una cantidad significativa de energía para calentar la biomasa y mantener las condiciones adecuadas de operación, lo que puede reducir la eficiencia global del proceso.

4. Impacto Ambiental: Aunque la pirólisis puede reducir las emisiones de gases de efecto invernadero en comparación con la quema directa de biomasa, todavía puede generar emisiones de contaminantes atmosféricos y subproductos no deseados si no se gestionan adecuadamente.

5. Competencia con la Producción de Alimentos: En algunos casos, la producción de biomasa para pirólisis puede competir con la producción de alimentos y tener impactos negativos en la seguridad alimentaria y el uso de la tierra.

Referencias

García, M., & Otero, R. (2008). Pirólisis de biomasa: estado actual y perspectivas. Editorial CSIC.
Pérez, A., & Oliva, R. (2015). Pirólisis rápida de biomasa. Editorial Universitat Politècnica de València.

Taller 3  : Formas de generación eléctrica.

Biomasa

Esquema ilustrado del funcionamiento de generación eléctrica a través de biomasa
Openms.es (s.f)

La electricidad a partir de biomasa es un proceso mediante el cual se genera energía eléctrica utilizando materia orgánica, como residuos agrícolas, forestales o de procesos industriales, así como cultivos energéticos específicamente cultivados para este fin, como la caña de azúcar o el maíz. Este proceso implica la conversión de la biomasa en energía eléctrica a través de diferentes tecnologías, como la combustión, la gasificación o la fermentación. En la combustión, la biomasa se quema para generar calor, que luego se utiliza para producir vapor y hacer funcionar una turbina que genera electricidad. En la gasificación, la biomasa se convierte en un gas combustible que se utiliza para alimentar una turbina o un motor que a su vez generan electricidad. En la fermentación, los materiales biológicos se descomponen en biogás mediante microorganismos, que luego se quema para producir electricidad. La electricidad a partir de biomasa es una forma de energía renovable y se considera neutra en carbono, ya que la cantidad de dióxido de carbono liberada durante su producción y combustión es aproximadamente igual a la cantidad que la biomasa absorbía durante su crecimiento, lo que contribuye a reducir las emisiones de gases de efecto invernadero. Las partes principales de este proceso son:

1. Suministro de biomasa: La biomasa puede provenir de una variedad de fuentes renovables, como residuos agrícolas, residuos forestales, residuos de alimentos, cultivos energéticos, etc. Esta biomasa se recolecta y se prepara para su uso como combustible en la planta eléctrica.

2. Proceso de conversión de biomasa: La biomasa se somete a un proceso de conversión, que puede ser combustión, gasificación o fermentación anaeróbica, dependiendo del tipo de biomasa y de la tecnología utilizada en la planta.

3. Generación de energía térmica: En el proceso de conversión, la biomasa se quema o se convierte en gases que pueden utilizarse para calentar agua y producir vapor a alta presión en una caldera.

4. Generación de energía eléctrica: El vapor a alta presión generado en la caldera se dirige hacia una turbina conectada a un generador eléctrico. El vapor hace girar las palas de la turbina, lo que hace que el generador produzca electricidad.

5. Captura de emisiones: Dependiendo del proceso de conversión utilizado, puede haber emisiones de gases de efecto invernadero y otros contaminantes. Para mitigar esto, muchas plantas de biomasa están equipadas con sistemas de control de emisiones, como filtros de partículas, precipitadores electrostáticos y sistemas de limpieza de gases.

6. Gestión de residuos: Después de la conversión de la biomasa, pueden quedar cenizas o residuos sólidos. Estos residuos pueden ser reciclados en otros procesos industriales o pueden ser utilizados como fertilizantes en la agricultura, dependiendo de su composición.

 Energía hidráulica

Esquema de las partes de una central hidroeléctrica
unesa.net (s.f.)

Una hidroeléctrica es una instalación que utiliza la energía del agua en movimiento, como la de los ríos o embalses, para generar electricidad. Este proceso se lleva a cabo mediante la construcción de una presa o represa en un río, que crea un embalse o lago artificial. Cuando se libera agua desde el embalse a través de turbinas ubicadas en la base de la presa, la energía cinética del agua en movimiento hace girar las turbinas, que a su vez activan generadores que producen electricidad. Las hidroeléctricas son una forma de energía renovable y limpia, ya que no emiten gases de efecto invernadero ni contaminantes atmosféricos durante su operación. Además, son una fuente de energía constante y confiable, ya que la cantidad de agua que fluye puede regularse para adaptarse a la demanda de electricidad. Sin embargo, la construcción de grandes represas puede tener impactos ambientales significativos, como la alteración de los ecosistemas acuáticos, la pérdida de hábitat y la interrupción de los patrones de migración de peces. Por lo tanto, el desarrollo de hidroeléctricas debe abordarse cuidadosamente para minimizar estos impactos y maximizar los beneficios energéticos y ambientales. El esquema básico de los componentes de una central hidroeléctrica son:

1. Captación de agua: El agua se captura desde una fuente natural, como un río, un lago o un embalse, y se dirige hacia la planta hidroeléctrica a través de canales, tuberías o embalses.

2. Embalse: En muchos casos, el agua se acumula en un embalse construido especialmente para este propósito. El embalse actúa como un almacenamiento de energía, ya que el agua almacenada en él tiene energía potencial debido a su altura.

3. Conducción: El agua fluye desde el embalse hacia la central hidroeléctrica a través de conductos o tuberías de gran tamaño llamadas conducciones forzadas. La pendiente creada por la altura del embalse proporciona la energía cinética necesaria para mover el agua a través de estas conducciones.

4. Turbina: El agua en movimiento hace girar las palas de una turbina hidráulica que está conectada a un eje. Hay diferentes tipos de turbinas, como las turbinas Pelton, Francis o Kaplan, que se utilizan según las características del flujo de agua.

5. Generador eléctrico: El eje de la turbina está conectado a un generador eléctrico, que convierte la energía mecánica rotacional en energía eléctrica mediante inducción electromagnética.

6. Transformador: La electricidad generada en el generador es de corriente alterna (CA) y se transporta a través de cables hacia un transformador. El transformador aumenta el voltaje de la electricidad para facilitar su transmisión a largas distancias.

7. Líneas de transmisión: La electricidad se transmite a través de líneas de transmisión de alta tensión hasta los centros de distribución y, finalmente, a los consumidores

 Energía térmica

 

 Esquema básico del funcionamiento de una central termo eléctrica
Blog de Tecnología – IES José Arencibia Gil – Telde  (2013)

 

Una termoeléctrica es una instalación de generación de energía que utiliza calor para producir electricidad. La mayoría de las termoeléctricas utilizan la combustión de combustibles fósiles, como el carbón, el petróleo o el gas natural, para generar calor. Este calor se utiliza para calentar agua y producir vapor, que luego hace girar turbinas conectadas a generadores eléctricos, generando así electricidad. El proceso en una termoeléctrica de combustión de carbón, por ejemplo, implica la quema de carbón en una caldera para calentar agua y producir vapor. Este vapor se expande en una turbina, haciendo que gire, y luego el generador conectado a la turbina convierte esa energía mecánica en electricidad. Las termoeléctricas también pueden utilizar otros tipos de combustibles, como el gas natural o el petróleo. Además, existen tecnologías más avanzadas, como las centrales termosolares, que utilizan la radiación solar para calentar un fluido y generar vapor para mover turbinas. Aunque las termoeléctricas son una fuente de energía constante y pueden proporcionar una gran cantidad de electricidad, la quema de combustibles fósiles para generar calor emite grandes cantidades de gases de efecto invernadero y otros contaminantes atmosféricos, contribuyendo al cambio climático y la contaminación ambiental. Por lo tanto, se están desarrollando y promoviendo cada vez más tecnologías más limpias y sostenibles, como las energías renovables, para reducir la dependencia de las termoeléctricas tradicionales. Sus componentes a groso modo son: 

1. Generación de calor: La planta térmica utiliza una fuente de calor, que puede ser carbón, gas natural, petróleo, biomasa u otros combustibles, para generar calor en una caldera.

2. Generación de vapor: El calor generado en la caldera se utiliza para calentar agua y producir vapor a alta presión.

3. Turbina de vapor: El vapor a alta presión hace girar las palas de una turbina de vapor, convirtiendo así la energía térmica en energía mecánica.

4. Generador eléctrico: La turbina de vapor está conectada a un generador eléctrico, que convierte la energía mecánica en energía eléctrica mediante inducción electromagnética.

5. Transformador: La electricidad generada en el generador se transporta a través de cables hacia un transformador, que aumenta el voltaje de la electricidad para facilitar su transmisión a largas distancias.

6. Líneas de transmisión: La electricidad se transmite a través de líneas de transmisión de alta tensión hasta los centros de distribución y, finalmente, a los consumidores.

    Planta de energía nuclear
   
                               

 Esquema genera de un reactor nuclear para la producción eléctrica
Iaea.org (s,f.)

Las plantas de energía nuclear son instalaciones industriales diseñadas para la generación de electricidad a través de la fisión nuclear. Este proceso implica la división de núcleos atómicos pesados, como los de uranio-235 o plutonio-239, en núcleos más pequeños, liberando una gran cantidad de energía en forma de calor.Las plantas de energía nuclear son fuentes de energía basadas en la tecnología más desarrollada para la generación de electricidad a gran escala y proporcionan una fuente de energía continua y confiable. Además, tienen la ventaja de producir cantidades significativas de electricidad sin emisiones directas de gases de efecto invernadero. Sin embargo, la energía nuclear también plantea desafíos y preocupaciones significativas, como la gestión segura de los desechos nucleares altamente radiactivos, los riesgos asociados con la proliferación nuclear y los accidentes graves, como el desastre de Chernobyl en 1986 y el accidente de Fukushima en 2011. Estos eventos han llevado a un escrutinio y debate sobre la seguridad y la viabilidad a largo plazo de la energía nuclear. Las partes básicas para comprender el funcionamiento de una central nuclear son: 

1. Fisión Nuclear: En el núcleo del reactor nuclear, el uranio-235 se divide en dos núcleos más pequeños cuando es bombardeado por neutrones. Este proceso libera una gran cantidad de energía en forma de calor.

2. Generación de Calor: El calor generado por la fisión nuclear se utiliza para calentar agua en el reactor nuclear y convertirla en vapor a alta presión.

3. Turbina de Vapor: El vapor a alta presión producido en el reactor se dirige hacia una turbina de vapor, donde su energía cinética hace girar las palas de la turbina.

4. Generador Eléctrico: La turbina de vapor está conectada a un generador eléctrico, que convierte la energía mecánica del movimiento de la turbina en energía eléctrica.

5. Sistema de Refrigeración: El vapor de escape de la turbina de vapor se enfría y se condensa de nuevo en agua, que se devuelve al reactor para repetir el ciclo.

6. Seguridad Nuclear: Las plantas nucleares están equipadas con sistemas de seguridad para garantizar el control de la reacción nuclear y prevenir accidentes.

 Energía eólica 

 

Esquema ilustrado de las partes para la generación de energía eléctrica a partir del viento 
pepeenergy.com (2021).

La energía eólica es aquella que se obtiene a partir del viento. Se aprovecha la energía cinética del movimiento del aire para convertirla en energía eléctrica u otras formas de energía útil. Esto se logra mediante aerogeneradores, que son estructuras con grandes hélices que capturan la energía del viento y la convierten en electricidad a través de un generador. La energía eólica es una fuente renovable y limpia, ya que no produce emisiones de gases de efecto invernadero ni otros contaminantes durante su operación. Es una parte importante del panorama energético mundial, contribuyendo a la diversificación de las fuentes de energía y a la reducción de la dependencia de los combustibles fósiles.

1. Captación del Viento: Las turbinas eólicas capturan la energía cinética del viento a través de sus palas o rotores. Cuando el viento sopla, las palas giran, convirtiendo la energía cinética del viento en energía mecánica.

2. Transmisión de Energía Mecánica: El movimiento rotativo de las palas se transmite a través de un eje hacia el generador.

3. Generación de Energía Eléctrica: El generador eléctrico convierte la energía mecánica del eje en energía eléctrica. Este proceso se basa en el principio de inducción electromagnética.

4. Acondicionamiento de la Electricidad: La electricidad generada puede pasar por sistemas de acondicionamiento, como convertidores de frecuencia, para adaptarla a la frecuencia y voltaje requeridos en la red eléctrica.

5. Integración en la Red Eléctrica: La electricidad producida se integra en la red eléctrica a través de subestaciones. Desde allí, se distribuye a los consumidores finales.

6. Monitoreo y Control: Las centrales eólicas suelen estar equipadas con sistemas de monitoreo y control para supervisar el funcionamiento de las turbinas, la producción de energía y la seguridad del sistema.

   
   

Energía solar térmica

                                         

Ilustración de de planta de producción eléctrica a partir de energía solar térmica
researchgate.net (s.f.)

La energía solar térmica es una forma de energía renovable que aprovecha la radiación solar para calentar un fluido, generalmente agua o un líquido refrigerante, y luego utilizar ese calor para diversas aplicaciones. El proceso típico de un sistema de energía solar térmica implica la instalación de paneles solares térmicos, que están compuestos por colectores solares. Estos colectores absorben la radiación solar y la convierten en calor. Luego, este calor se transfiere al fluido que circula a través del sistema. Los sistemas de energía solar térmica pueden ser utilizados para una variedad de propósitos, como la producción de agua caliente para uso doméstico, calefacción de espacios, calentamiento de piscinas e incluso para procesos industriales que requieren calor. Este tipo de energía es limpia y renovable, ya que utiliza una fuente inagotable como es la radiación solar. Además, puede contribuir significativamente a la reducción de la dependencia de combustibles fósiles y las emisiones de gases de efecto invernadero asociadas con su quema. ¿Cómo funciona? Así:

1. Captación de Energía Solar: Los colectores solares concentran la radiación solar en un fluido caloportador, como agua o sales fundidas, utilizando espejos o dispositivos de seguimiento solar.

2. Transferencia de Calor: El fluido calentado por la radiación solar es transportado hacia un intercambiador de calor, donde transfiere su calor a otro fluido, generalmente agua, que se convierte en vapor.

3. Generación de Vapor: El vapor generado a alta presión por el intercambiador de calor es dirigido hacia una turbina.

4. Turbina: El vapor de alta presión hace girar las palas de una turbina conectada a un generador eléctrico.

5. Generador Eléctrico: La turbina acciona el generador eléctrico, convirtiendo la energía mecánica del movimiento rotativo en energía eléctrica.

6. Transformador y Red Eléctrica: La electricidad generada se transporta a través de cables hasta un transformador, donde se ajusta su voltaje para su integración en la red eléctrica.

7. Almacenamiento Térmico (opcional): Algunas centrales solares térmicas incorporan sistemas de almacenamiento térmico, como tanques de sales fundidas, para almacenar calor y permitir la generación de electricidad durante periodos de baja radiación solar.

 Energía fotovoltaica 

                                             

Diagrama básico de las parte de una central productora de energía eléctrica por medio de fotones
Researchgate.net (s.f.)

La energía fotovoltaica es una forma de energía renovable que aprovecha la radiación solar para generar electricidad. Este proceso se lleva a cabo a través de dispositivos llamados células fotovoltaicas, que están compuestas principalmente de silicio u otros materiales semiconductores. Cuando la luz solar incide sobre estas células fotovoltaicas, los fotones de luz liberan electrones en el material semiconductor, generando así una corriente eléctrica. Este flujo de electrones se captura y se convierte en electricidad utilizable. Los paneles solares fotovoltaicos están compuestos por múltiples células fotovoltaicas interconectadas, y son el componente principal de los sistemas de energía solar fotovoltaica. Estos paneles pueden instalarse en tejados, terrenos o estructuras especiales para aprovechar la luz solar y generar electricidad de manera sostenible y limpia. La energía fotovoltaica es una fuente de energía limpia y renovable que no emite gases de efecto invernadero ni otros contaminantes durante su operación. Además, los avances tecnológicos en este campo están haciendo que la energía solar sea cada vez más competitiva en términos de costos en comparación con otras fuentes de energía. Esta obtención de energía se da del siguiente modo:

1. Captación de Luz Solar: Los paneles solares fotovoltaicos están compuestos por células fotovoltaicas que capturan la luz solar y la convierten directamente en electricidad mediante el efecto fotoeléctrico.

2. Generación de Corriente Continua (CC): La luz solar incide sobre las células fotovoltaicas, generando corriente continua (CC) en el proceso.

3. Inversores: La corriente continua (CC) producida por los paneles solares es enviada a inversores, que la convierten en corriente alterna (CA), la cual es compatible con la red eléctrica convencional.

4. Transformador y Conexión a la Red Eléctrica: La corriente alterna (CA) generada por los inversores se envía a través de un transformador para ajustar su voltaje y luego se conecta a la red eléctrica para su distribución.

5. Medidor Bidireccional: Muchas instalaciones de energía solar fotovoltaica están equipadas con medidores bidireccionales que registran tanto la electricidad consumida como la electricidad generada, permitiendo que el exceso de electricidad generada se vierta a la red eléctrica y se reciba crédito por ella.

6. Sistemas de Monitoreo: Las centrales fotovoltaicas suelen estar equipadas con sistemas de monitoreo para supervisar el rendimiento de los paneles solares, la producción de energía y el estado del sistema.

Referencias

Hansen, M. H., Larsén, X. G., & Hansen, A. M. (2017). Wind Energy Systems. Springer.
Klass, D. L. (s.f.). Biomass for Renewable Energy, Fuels, and Chemicals.
Lamarsh, J. R., & Baratta, A. J. (2019). Introduction to Nuclear Engineering. Pearson.
Martínez-Duart, J. M., & González Díaz, G. (2011). Energía Solar Fotovoltaica. Fundación de la Energía.
Pandey, B., & Jayamaha, A. (s.f.). Hydroelectric Energy: Renewable Energy and the Environment.
Romero, M. A., & Zaragoza, G. (2016). Energía Solar Térmica. Universidad Politécnica de Madrid.