Les fonts d'energia

L’energia, pilar del món modern

Per a viure, comunicar-se, moure’s, transformar, produir, etc., cal energia. L’energia és fonamental per a la indústria, l’agricultura i les activitats comercials; fa moure els cotxes, els trens i els altres mitjans de transport; és necessària per a la calefacció i la refrigeració de cases i oficines, per a il·luminar, per a cuinar. L’energia que fem servir deriva principalment dels combustibles fòssils, com el petroli, el carbó i el gas natural, i, en menor mesura, dels combustibles nuclears (isòtops de l’urani i el tori). Aquests combustibles estan condemnats, tard o d’hora, a exhaurir-se, i és per això que constitueixen les anomenades energies no renovables.

En canvi, l’energia del vent, la hidràulica, la derivada del moviment onejant del mar, etc., són exemples típics d’energies renovables, que vol dir que, a escala humana, no es poden exhaurir ja que, com tindrem ocasió de veure, deriven de manera directa o indirecta del Sol. La principal energia renovable és, per descomptat, la solar, però també cal considerar l’energia geotèrmica, que és alliberada de l’interior de la Terra en forma de brolladors d’aigua calenta o de vapor.

En l’àmbit de les fonts d’energia se sol distingir entre fonts primàries i fonts secundàries.

Les fonts primàries inclouen tant les primeres matèries energètiques (carbó, petroli, gas natural, urani, tori) com aquells fenòmens naturals que, explotats oportunament, poden donar lloc a formes d’energia utilitzables per l’home. Així, són fonts primàries el Sol, el vent, l’interior de la Terra, l’aigua, les marees i les biomasses (fusta i altres matèries orgàniques).

En canvi, es consideren secundàries les fonts que resulten de transformar les fonts primàries, com per exemple alguns hidrocarburs líquids i gasosos derivats del petroli (per exemple, la gasolina, el gasoli, el gas butà), l’hidrogen, el metanol, etc.

Diversitat de formes d’energia

L’energia es pot trobar en formes i concentracions diferents. Per tant, convé saber quines són les formes a través de les quals l’energia es pot manifestar i ser utilitzada. Enumerem només les més interessants pel que fa a les aplicacions energètiques.

L’energia química és la forma d’energia que s’allibera o s’absorbeix en les transformacions (reaccions) químiques, de què es parla a "Àtoms, molècules i compostos" i "La gran família del carboni". Generalment s’allibera en forma d’energia tèrmica (calor). Un exemple típic és la calor produïda en cremar un combustible qualsevol. En efecte, la combustió és una reacció química entre el material combustible i l’oxigen de l’aire (comburent). L’energia química del combustible originari és més gran que l’energia química dels productes de la reacció, i la diferència es manifesta en forma d’energia tèrmica. En altres paraules, el procés de combustió permet la conversió d’una quantitat d’energia emmagatzemada en el combustible en forma d’energia química, en una nova forma d’energia, la calor, que es pot utilitzar directament.

L’energia mecànica és l’energia associada a cossos en moviment. És energia mecànica la proporcionada pel vent o l’aigua d’un riu o d’una cascada. En el cas de l’aigua, és més habitual parlar d’energia hidràulica. També és energia mecànica la d’un cotxe que corre o la d’una hèlix d’helicòpter que gira al voltant del propi eix. Si, pel que fa al cotxe o l’hèlix de l’helicòpter, ens demanem d’on surt l’energia mecànica que permet el moviment, de seguida entendrem que deriva de la conversió de l’energia química de la gasolina o del querosè en energia tèrmica i d’aquesta, a través d’un sistema de conversió especial (el motor), en energia mecànica.

L’energia tèrmica és la quantitat de calor cedida o absorbida per un cos: tant la calor obtinguda cremant un combustible com part de l’energia radiant procedent del Sol són formes d’energia tèrmica. Un cotxe que corre i frena transforma, per fregament dels frens, la seva energia mecànica en energia tèrmica. Més en general, es pot dir que les altres formes d’energia, en degradar-se, tendeixen a transformar-se de manera irreversible en energia tèrmica, és a dir, en calor. D’altra banda, s’ha vist que és possible transformar parcialment l’energia tèrmica en energia mecànica. La convertibilitat de l’energia tèrmica en altres formes d’energia (per exemple, mecànica), és a dir, la seva capacitat de produir treball, augmenta si augmenta la diferència de temperatura entre els cossos que intercanvien l’energia. Mirem d’il·lustrar aquesta idea amb un exemple: una quantitat petita de calor, que s’obté cremant a temperatures elevades (8001 000°C) la gasolina o el gasoli injectats en el cilindre d’un motor, permet obtenir, a través del mateix motor, una certa energia mecànica i, per tant, un cert treball útil. A mesura que descén la temperatura, la quantitat de calor convertible en treball es redueix tant, que, si la temperatura esdevé igual a la temperatura ambient, ni una quantitat infinitament gran de calor seria capaç de produir treball útil. Se’n deriva que l’energia tèrmica disponible a temperatura ambient (per exemple, l’associada a les grans masses d’aire, els oceans, les roques), per més abundant que sigui, no es pot fer servir per a produir treball.

L’energia nuclear és l’alliberada per les reaccions nuclears espontànies o provocades. Normalment aquest terme designa l’energia que alliberen les reaccions nuclears en les condicions adequades perquè pugui ser utilitzada. Això es pot donar tant aprofitant les radiacions emeses com utilitzant la calor desenvolupada per la reacció, com també de totes dues maneres. En la pràctica, les dues reaccions que cal conèixer des del punt de vista de la producció d’energia són les de fissió i de fusió, de què es parlarà a “Centrals nuclears”. Cal remarcar una diferència fonamental entre l’energia química i l’energia nuclear: l’energia química correspon a reaccions en què participen els electrons de l’àtom i els enllaços entre els àtoms de les molècules que reaccionen, i que, amb tot, deixen inalterats els nuclis atòmics. En canvi, l’energia nuclear es manifesta en reaccions que afecten els nuclis atòmics, i per això s’anomenen reaccions nuclears. Per exemple, el procés de combustió (químic) i el de fissió o fusió (nuclear) són profundament diferents, bé que tots dos tenen com a resultat la generació de calor com a forma aprofitable d’energia.

L’energia elèctrica es pot definir, de la manera més simple per bé que incompleta, com l’energia que un corrent elèctric que recorre un circuit pot proporcionar a un determinat sistema (per exemple, a un motor, un forn o una bombeta). En la majoria dels casos es pot obtenir convertint l’energia tèrmica en energia mecànica i aquesta, amb els aparells adequats (dinamo, alternadors), en energia elèctrica. Si convé, l’energia elèctrica es pot tornar a transformar, al seu torn, en energia mecànica (en els motors elèctrics), en energia tèrmica (en les estufes elèctriques), en energia lumínica (en les bombetes) o en energia química (en els acumuladors).

L’energia electromagnètica, també anomenada energia radiant, és emesa pels cossos espontàniament o en determinades condicions. Es tracta de radiacions de naturalesa electromagnètica que es propaguen a la velocitat de la llum. Són d’aquesta mena les radiacions emeses pel Sol, tant en el camp de l’espectre visible com en l’infraroig i l’ultraviolat (vegeu “Ones, so i llum”).

La conversió de l’energia

Esquema del flux mundial d’energia en milions de barrils de petroli per dia.

ECSA

Normalment, les diverses fonts d’energia no es poden utilitzar directament. Per a poder disposar d’energia en la forma requerida per l’usuari cal recórrer a unes transformacions, també anomenades processos de conversió, que permeten obtenir energia en les formes d’utilització més habituals: energia tèrmica, mecànica i elèctrica. La major part de les fonts fòssils no renovables i part de les renovables pateixen un primer procés de conversió que deixa l’energia disponible en forma tèrmica; aquesta es pot obtenir per combustió dels diversos combustibles. La calor generada es pot utilitzar directament (com passa per exemple en els forns industrials o domèstics) o es pot destinar a escalfar aigua o aire que, al seu torn, s’apliquen a la calefacció de cases i llocs de treball. Pels radiadors domèstics circula aigua calenta escalfada mitjançant combustió de gasoli o gas natural, entre d’altres, a la caldera.

L’energia tèrmica, sobretot si és disponible a alta temperatura, sovint és transformada en energia mecànica i utilitzada com a tal; el cas més habitual és el dels cotxes, els avions i les embarcacions. En aquest cas el procés de conversió de l’energia requereix una màquina, el motor, que executa la conversió. En general es parla de conversió termodinàmica quan l’energia tèrmica és transformada en energia mecànica disponible a l’arbre d’un motor.

En alguns casos l’energia mecànica serveix per a accionar una màquina anomenada generador elèctric, que la transforma en energia elèctrica. Aquest és el procés que s’utilitza normalment per a obtenir l’energia elèctrica a les anomenades centrals elèctriques. S’estan estudiant, i ja s’han aplicat en casos puntuals, els sistemes anomenats de conversió directa, que transformen qualsevol forma d’energia en energia elèctrica sense passar per l’energia mecànica (en parlarem més endavant).

Les transformacions energètiques compleixen dues lleis fonamentals, anomenades lleis o principis de la termodinàmica (vegeu “Energia, treball i calor”). Segons la primera llei o principi, la de la conservació de l’energia, l’energia no es crea ni es destrueix, solament es transforma. Amb tot, en els diferents processos de conversió, una part més o menys gran de l’energia es degrada, és a dir, es transforma en calor de baixa temperatura que no es pot aprofitar en la pràctica.

Algunes formes d’energia es poden convertir totalment en altres formes. Per exemple, quan frenem un cotxe per aturar-lo, el fregament dels frens converteix en calor tota l’energia mecànica del vehicle. Si comparem la quantitat de calor produïda (és a dir, l’energia tèrmica desenvolupada durant la frenada) amb l’energia mecànica del vehicle abans de començar a frenar, trobem que les dues quantitats són iguals, o sigui que es confirma la llei esmentada i podem afirmar amb seguretat que la quantitat d’energia no ha variat en la transformació produïda.

Encara podem fer una altra observació important : és cert que la quantitat d’energia abans i després de la transformació no s’ha modificat, però també és evident que n’ha canviat la qualitat. L’energia mecànica del vehicle en moviment és útil, i per tant apreciada; l’energia tèrmica (calor) en què es converteix amb la frenada és una energia inútil i, per tant, no apreciada.

Així, doncs, quan es parla d’energia és important recordar de caracteritzar-la tant per la quantitat com per la qualitat, que simplement és una manera d’expressar la seva capacitat de ser emprada en la pràctica.

En el cas precedent, tota l’energia mecànica es transforma en energia tèrmica. Si es tracta d’una estufa elèctrica, el procés de conversió és semblant: tota l’energia elèctrica es transforma en calor. Però no sempre és així. Si volem transformar la calor en energia mecànica (transformació que té lloc, per exemple, en el motor d’un cotxe), una fracció més o menys gran de la calor de partida no es podrà convertir en una altra forma energètica. En efecte, una part de l’energia tèrmica inicial esdevé energia mecànica, però la part restant es troba després de la transformació encara en forma de calor a baixa temperatura, i per tant de mala qualitat. Per continuar amb l’exemple del cotxe, la calor generada per la combustió de la gasolina (a temperatura elevada, i per tant útil) en part proporciona l’energia mecànica que manté el cotxe en moviment i en part es degrada i es dispersa en l’ambient (en concret amb els gasos d’escapament), a una temperatura molt inferior a la inicial. Aquest fet s’expressa, en termes més generals, en la segona llei o principi de la termodinàmica, que diu que l’energia tèrmica no es pot transformar íntegrament en energia química, mecànica o elèctrica. És impossible transformar completament en energia mecànica i treball una quantitat determinada de calor, o sigui, que no podem obtenir de l’energia mecànica produïda la mateixa quantitat de calor del començament.

Fonts primàries no renovables

Les fonts energètiques primàries no renovables (combustibles fòssils —carbó, petroli, gas natural— i combustibles nuclears) són avui el nostre recurs energètic principal. Aquest patrimoni té un gran pes al món però es pot exhaurir, i per tant s’ha d’utilitzar de manera racional. Com hem dit a “La conversió de l’energia”, l’energia útil dels combustibles fòssils s’obté mitjançant un procés de combustió (d’aquí ve el seu nom, mentre que l’adjectiu fòssil ens recorda que s’acumulen al subsòl). Pot resultar útil recordar que avui aproximadament el 90% de l’energia gastada al món deriva dels combustibles fòssils. Aquesta consideració subratlla la importància que aquestes primeres matèries energètiques revesteixen per a la humanitat, però també serveix per a recordar-nos l’enorme quantitat de productes de combustió, generalment contaminants, que són emesos cada dia a l’atmosfera del nostre planeta.

A propòsit dels combustibles fòssils, convé fer una altra observació: el carbó, el petroli i el gas natural són fonts primàries d’energia i alhora són primeres matèries per a la indústria química. Aquest és un altre motiu per a no malgastar-los. Però a més cal tenir present que tenen unes característiques diferents d’altres primeres matèries. En efecte, es consumeixen amb l’ús, ja que es transformen en productes de combustió, cendres i fums que ja no es poden utilitzar i que a més són perjudicials per a l’home i el medi ambient. En canvi, altres primeres matèries com els materials metàl·lics es poden recuperar i reciclar, almenys en part, després de ser utilitzats.

Cal recordar també que cada combustible es caracteritza per un índex de qualitat que s’anomena poder calorífic, expressat per la quantitat de calor que s’obté cremant-ne un quilogram. Com que les quantitats de calor es mesuren normalment en quilocalories (kcal), el poder calorífic es mesura en kcal per cada kg (kcal/kg). Com més elevat és el poder calorífic, més apreciat és el combustible. Naturalment, per a qualificar un combustible no n’hi ha prou amb el seu poder calorífic. Cal valorar-ne altres elements i sobretot l’impacte ambiental i el cost, com també la facilitat de transport i d’utilització, etc.

L’energia que s’obté de l’urani i el tori és d’origen nuclear i deriva d’un procés que s’anomena fissió, fonamentalment diferent del de combustió.

Això no obstant, el terme combustible aplicat a l’urani i el tori ha passat a formar part del llenguatge tècnic, bé que amb l’adjectiu nuclear per recordar l’origen diferent de l’energia.

El carbó

El carbó constitueix el combustible fòssil més estès al món. Se’l considera fòssil pel fet que no existeix (o, més ben dit, encara no existeix) cap tipus de carbó format en època actual. Els químics i els geòlegs ens poden explicar que el carbó és una roca sedimentària orgànica que conté carboni, hidrogen, oxigen i altres elements i compostos en proporcions variables. És de color negre o fosc, i es forma a partir de la descomposició, en condicions precises, d’antigues plantes i vegetals que van viure fa desenes o centenars de milions d’anys. El procés que porta a la formació del carbó s’anomena carbonització i requereix, perquè pugui tenir lloc, l’acumulació dels vegetals en aigües estancades i amb poc oxigen (com les dels aiguamolls o els deltes dels grans rius), per tal d’impedir la descomposició completa del material orgànic. L’acció de certs bacteris, anomenats anaerobis, fa que algunes parts de les plantes es descomponguin més fàcilment que d’altres més resistents, com la lignina i les ceres. Després, perquè la carbonització pugui continuar i el carbó pugui millorar la seva qualitat, calen temperatures elevades, com les que es poden assolir arran d’erupcions volcàniques, i altes pressions, que es poden generar arran de moviments tectònics de l’escorça terrestre. D’aquesta manera es dispersen els components gasosos i augmenta el poder calorífic del carbó en procés de formació.

Els dipòsits de carbó que es van formar en un període de l’era paleozoica anomenat precisament Carbonífer (entre 350 i 270 milions d’anys enrere) són particularment preuats, i també molt abundants. Durant el Carbonífer, gràcies a la presència d’un clima molt favorable, la difusió i extensió del mantell vegetal sobre la Terra va assolir proporcions que no es tornarien a atènyer al llarg de la història geològica del planeta. Amb tot, els carbons del Permià (era paleozoica) i de l’era cenozoica també són abundants.

Els diferents tipus de carbó

De les múltiples maneres de classificar el carbó segons les seves característiques, la més coneguda és la subdivisió en torba, lignit, hulla i antracita. Aquesta subdivisió es basa en l’època de formació i, per tant, en el seu poder calorífic. La torba és el carbó menys apreciat i més fàcil d’extreure, ja que és el més jove (era neozoica o quaternària). Com que és el més recent, és el que conté menys carboni (menys del 60%) i el que té un poder calorífic més baix (menys de 4 000 kcal/kg). Sovint es poden observar en la torba restes ben conservades de les estructures dels vegetals que l’han originat. Hi ha moltes torberes al fons d’aiguamolls, la qual cosa permet afirmar que la formació de la torba encara és un procés en curs. Atès que es tracta d’un combustible pobre i poc apreciat, resulta poc econòmic transportar-lo, de manera que l’ús es limita a les zones d’extracció. Els jaciments de torba més importants són a Rússia, Finlàndia, Suècia, Alemanya i Irlanda. Als Països Catalans, el dipòsit més important és el de Torreblanca i Cabanes, a la Plana Alta. Al delta de l’Ebre, a les marjals dels termes de Benicàssim, Castelló i Almenara, a la Plana, i a Xeraco, Xeresa i Gandia, a la Safor, també hi ha importants torberes, però no són explotades.

El lignit, carbó format a l’era cenozoica, és més apreciat que la torba. Posseeix una major quantitat de carboni (entre el 60 i el 75%) i un major poder calorífic (fins a 6 000 kcal/kg). Hi ha jaciments de lignit a moltes regions de la Terra. Alemanya, Rússia, Ucraïna, la República Txeca i Iugoslàvia posseeixen els jaciments més grans. A Catalunya els jaciments més explotats han estat els de la conca de Berga i Fígols Vell, al Berguedà. A les Balears també n’hi ha a Alaró, Binissalem, Lloseta i Selva de Mallorca.

L’hulla és el tipus de carbó més abundant. Els vegetals que l’han originat es van dipositar entre el final del Paleozoic i el Mesozoic. Conté aproximadament el 90% de carboni i té un poder calorífic que pot assolir les 9 000 kcal/kg. Si s’escalfa en absència d’aire, s’infla i genera productes volàtils, mentre deixa un residu sòlid de carboni anomenat coc i un líquid que s’empra en la preparació del quitrà. Els jaciments d’hulla es troben pràcticament a tot arreu, bé que els més extensos es localitzen a la Xina, Rússia, Ucraïna, els Estats Units, Polònia i la Gran Bretanya (els jaciments carbonífers anglesos són uns dels més explotats des dels temps més remots, i el carbó que produeixen, un dels millors).

Finalment, arribem al tipus de carbó més antic i apreciat, i més difícil d’extreure: l’antracita. És formada a partir dels vegetals de l’era paleozoica, i conté més del 90-95% de carboni. Com que posseeix pocs components gasosos al seu interior perquè ha estat sotmesa a esdeveniments geològics més “moguts”, en cremar fa una flama curta, sense fum. És compacta i té un color gris molt fosc. Les reserves més abundants es troben a la Xina, Anglaterra i els Estats Units.

L’extracció del carbó

El carbó, com molts altres recursos minerals, no sempre es troba en les mateixes condicions a la superfície de la Terra. Una fase preliminar a l’extracció del mineral és l’exploració, és a dir, la recerca d’indicis mitjançant l’obtenció de diverses mostres de roca a profunditats diferents. Després, les mostres són analitzades al laboratori. Pel que fa a l’extracció del carbó, existeixen diverses tècniques segons el tipus i les condicions geològiques que trobin els tècnics. Si el filó carbonífer no és gaire profund, a no més de 50 m per sota de la superfície, primer es treu tot l’estrat superficial de terra i després s’extreu el material a cel obert. És l’extracció més econòmica i menys perillosa per a qui hi treballa, però presenta greus problemes mediambientals ateses les grans quantitats de pols que en surten, l’erosió que afecta el sòl perforat d’aquesta manera i la desfiguració del paisatge on es realitzen les extraccions. Si el filó de carbó és a grans profunditats, s’excaven mines per extreure el material: les mines de carbó són molt nombroses, i els problemes per als treballadors són notables, ja que es veuen obligats a treballar en situacions molt allunyades de les condicions ambientals normals a què estem acostumats, i, fins no fa pas gaire temps (i de vegades encara avui), mancats de les garanties més elementals de seguretat i de cura de la salut. Les reserves de carbó són ingents, i l’energia que se’n pot obtenir és almenys cinc vegades més gran que la de les reserves de petroli. Aproximadament un terç de tota l’energia gastada anualment al món deriva del carbó.

Amb tot, la major part d’aquest combustible es consumeix en els mateixos països productors, com els Estats Units, Alemanya, Rússia, la Xina, Sud-àfrica i Polònia. Solament el 5% es destina a l’exportació. Aquest percentatge tan baix s’explica pel cost elevat del transport i les infraestructures (ports, ferrocarril, emmagatzemament, etc.) necessàries.

Els principals problemes quant a l’ús del carbó se centren en l’extracció, sobretot de mines subterrànies, pels riscs que comporta per als miners. En primer lloc el risc derivat de la presència del grisú, una mescla explosiva de gasos altament inflamable (vegeu “Els recursos minerals”). També són un problema el transport i el consum d’aquest carbó, atès l’impacte ambiental i per a la salut humana (vegeu “Els danys ambientals del desenvolupament”).

El gas natural

La Terra és plena de gasos i de compostos en estat aeriforme. Aquests gasos de vegades brollen de manera natural de l’interior del planeta, però de vegades cal extreure’ls amb perforacions. Alguns d’aquests gasos són molt útils, avui dia indispensables, com a fonts d’energia tèrmica. La composició química del gas natural varia d’una regió a una altra, però es pot dir que el seu constituent principal sempre és el metà. També hi són freqüents l’età, el propà, el butà, el pentà i altres hidrocarburs, i, en quantitats menors, impureses com el nitrogen, el diòxid de carboni, l’àcid sulfhídric i l’aigua, que s’han d’eliminar per a afavorir el transport del gas i obtenir-ne una combustió millor. El metà, en concret, és un gas inodor, incolor, més lleuger que l’aire, que crema i proporciona molta calor. Provoca una contaminació menor que la produïda per la combustió del carbó i el petroli.

El poder calorífic, quan es tracta d’un gas, s’expressa en kcal, però no referides al kg sinó al m3, i en el cas del gas natural té un valor d’aproximadament 8 250 kcal/m3. Es pot dir que uns 1 200 m3 de gas proporcionen, en cremar, la mateixa quantitat que s’obté amb una tona de petroli. El gas natural s’extreu de jaciments on es presenta sol o acompanyat de petroli. El transport es fa mitjançant gasoductes de grans dimensions, que alimenten una xarxa de distribució capil·lar fins als usuaris. N’és freqüent el transport per mar amb embarcacions especials. En aquest cas, el gas és liquat i carregat al vaixell en fase líquida al port de sortida; després, al port de destí, és gasificat i enviat a les xarxes de distribució. El gas natural és molt emprat en la indústria química i en el sector energètic. Es pot considerar un combustible apreciat també perquè el seu impacte mediambiental és menor que el del carbó o el petroli. Aproximadament el 20% de les necessitats d’energia se satisfan amb gas natural. Les reserves es localitzen principalment a l’Orient Mitjà (Iran), al nord d’Àfrica (Algèria), a Rússia i altres estats de l’antiga URSS i a l’Amèrica del Nord.

El cicle del gas natural comporta riscs relacionats sobretot amb incendis i explosions en les fases d’extracció, transport i utilització. Com ja s’ha dit, el gas natural dóna lloc a emissions menys contaminants que els altres combustibles fòssils, en la fase d’ús per combustió.

Uns altres components del gas natural són el propà i el butà, que s’eliminen durant les fases de purificació dels gasos i formen l’anomenat GPL (gas de petroli liquat). Són molt utilitzats com a carburants per a autotracció.

El petroli, l’or que no brilla

El coronel E.L. Drake probablement mereix un lloc en la història de la ciència i de la tècnica perquè va ser el primer que efectuà, el 1859, a Pennsilvània (Estats Units), un sondatge a una profunditat de poc més de 20 m, amb la finalitat d’extreure petroli. En realitat, però, no va inventar ni descobrir res de nou, perquè els xinesos, ja al segle II aC, havien trobat per casualitat, mentre buscaven sal, petroli al subsòl. En l’antiguitat no costava gaire trobar aquest líquid negre o bru verdós, pudent i untuós, i encara fins al segle XIX n’hi havia grans brolladors naturals a la superfície terrestre, tant a Europa com a Amèrica i en altres parts del món.

S’ha fet un llarg camí des que el petroli s’emprava simplement com a medicament o, en forma de betum, per a la impermeabilització de canonades i altres productes. Avui, trobar petroli que brolli lliurement a la superfície terrestre només és un somni per als petroliers, els tècnics i, en definitiva, per a tots nosaltres, que vivim en un món que en depèn.

El petroli té una composició que varia d’una regió a una altra, però sempre es presenta com una mescla complexa d’hidrocarburs, sòlids, líquids o gasosos, que també conté nitrogen, oxigen, sofre i altres impureses. El seu poder calorífic, superior al del carbó, equival aproximadament a 10 000 kcal/kg. El petroli deu la seva formació a una concatenació de processos de diversa mena desenvolupats a partir d’enormes quantitats d’organismes animals i vegetals marins i terrestres acumulats en sediments amb aigües salabroses o salades amb poc oxigen. Amb el temps, aquests dipòsits es van anar mesclant amb els sediments presents als fons, i els bacteris anaerobis hi van començar la seva acció incansable, que en el decurs de milions d’anys n’ha transformat tota la massa a base de treure l’oxigen de les substàncies orgàniques i de proporcionar-li carboni, hidrogen i greixos.

Si en els processos de formació del petroli no intervinguessin els bacteris, l’home mai no hauria pogut extreure del subsòl aquest líquid, perquè s’hauria dispersat i mai no hauria assolit la concentració necessària per a poder ser aprofitat. En canvi, els sediments que contenen les masses orgàniques en vies de transformació, amb el pas del temps pateixen una compactació, és a dir, són esclafats i comprimits progressivament a causa de la deposició al seu damunt de grans gruixos d’altres sediments que, en exercir-hi una pressió amb el seu pes, donen origen al que s’anomena roca mare. L’existència d’aquesta formació rocallosa és, doncs, la primera condició que s’ha de donar perquè es pugui formar el petroli. Aquests “maltractaments” fan enfonsar la roca mare i la sotmeten a condicions de temperatura i pressió cada cop més elevades, la qual cosa permet completar els processos orgànics que originen el petroli. En el llenguatge tècnic es diu que la roca mare madura, i l’àrea de la conca on tenen lloc les transformacions descrites s’anomena “la cuina” (cal dir que els cuiners són una mica lents, perquè necessiten de 5-10 a 100 milions d’anys...).

A més, al voltant de la roca mare hi ha d’haver una mena de dipòsit, constituït per roques poroses o fracturades, capaces d’acollir al seu interior el petroli que aquí, gràcies a un procés encara no del tot conegut, es trasllada lentament. Aquestes roques s’anomenen precisament roques de dipòsit o magatzem (les millors són els gresos i les roques carbonàtiques com les calcàries i les dolomies). El desplaçament del petroli, a vegades acompanyat d’altres hidrocarburs i aigua, sempre present als estrats rocallosos, s’anomena migració primària.

Però les roques de dipòsit podrien ser tan extenses que impedissin l’acumulació del petroli en quantitats útils i convenients des del punt de vista econòmic. Per tant, cal la presència d’alguna estructura que contingui part d’aquestes roques i eviti que el petroli que hi ha arribat es dispersi. En altres paraules, el jaciment —constituït per roques de reserva— ha de quedar limitat en totes direccions per roques impermeables (que no deixin passar cap líquid), anomenades roques de recobriment. Són òptimes les argiles, les margues, les evaporites, etc., sempre que no presentin fractures.

A l’interior de les roques de reserva el petroli es desplaça i es parla de migració secundària. Gràcies a la força de gravetat se separa en tres components: gas, més lleuger, que se situa a la part més alta del dipòsit; oli, situat a sota, i aigua, que té el pes específic més elevat. La migració secundària acaba quan els tres components indicats troben un recobriment impermeable que fa de barrera infranquejable i els bloqueja. És el que s’anomena trampa petrolífera.

En realitat, hi ha diverses menes de trampes, perquè les estructures de l’escorça terrestre que les poden generar són diverses. Només esmentarem les trampes estructurals i les trampes estratigràfiques. Les primeres són formades per plecs dels terrenys, sobretot anticlinals (els estrats d’aquests plecs formen un angle convex i constitueixen més de la meitat de les trampes conegudes), i falles. Les trampes estratigràfiques són formades per variacions litològiques graduals a l’interior d’un mateix nivell rocallós o per variacions de porositat, permeabilitat o gruix dels estrats.

Encara queda petroli a la Terra?

Al llarg de la història geològica de la Terra, en tots els sediments de la seva superfície s’han produït enormes acumulacions de materials orgànics. La degradació d’un percentatge petit pot explicar l’existència de jaciments tan rics i nombrosos. D’altra banda, sabem que hi ha jaciments petrolífers a les conques sedimentàries formats en totes les èpoques geològiques. Els més freqüents —aproximadament la meitat del total— són els del Cenozoic (fa 65-0,01 milions d’anys), seguits dels del Paleozoic (590-248 milions d’anys enrere), el Mesozoic (248-65 milions d’anys enrere) i el Precambrià (fa 590 milions d’anys). Però l’home ha explotat aquest recurs de manera intensa i el que ens preguntem ara és el futur d’aquest recurs. Evidentment, no podem esperar la regeneració del petroli, perquè es tracta d’un recurs no renovable, que s’acabarà tard o d’hora. Tampoc no sabem dir quan s’acabarà, ja que ni els científics es posen d’acord quant a les previsions, que són extremament difícils i arriscades, perquè cada any, amb el descobriment de nous jaciments o l’aplicació de tècniques més sofisticades que permeten una explotació millor dels ja existents, les dades poden canviar molt.

Certament, no podrem continuar explotant de manera indiscriminada durant gaires anys més tots els jaciments útils coneguts. Cada vegada hi ha més països que dediquen esforços a la recerca de tecnologies de producció energètica alternatives a les basades en el petroli. Reduir la pròpia dependència del petroli significa, entre altres coses, patir en menor mesura les decisions dels països productors (com els augments sobtats i no sempre justificables del preu del cru) i buscar solucions noves per a estalviar energia de manera racional. Els anys vuitanta, més de la meitat del total de l’energia gastada al món s’obtenia del petroli (l’“or negre”, com s’anomena de vegades per subratllar-ne el valor). Segurament s’hauria d’aconseguir que, a les portes del 2000, el petroli deixi de ser la font d’energia principal.

La distribució geogràfica dels jaciments petrolífers és condicionada, com és obvi, per la distribució de les conques sedimentàries, sobretot les del Cenozoic. Al quadre 38.1 s’indiquen els principals països del món productors de petroli, encapçalats per l’Aràbia Saudita. Els camps petrolífers americans es concentren a la regió compresa entre les Muntanyes Rocalloses i els Apalatxes, i els màxims de producció s’assoleixen a Texas, Oklahoma, Kansas i el golf de Mèxic.

És fonamental l’anàlisi i la previsió de la consistència de les reserves mundials de petroli, entenent per reserves la quantitat de cru que encara es pot extreure amb les condicions tecnològiques i econòmiques que es van perfilant any rere any.

La necessitat de petroli existeix arreu del món, però no a tot arreu se’n produeix. Per això des del començament va sorgir la necessitat d’adoptar els mitjans de transport oportuns perquè el petroli arribés als diferents llocs de la Terra. Les solucions adoptades són el transport en petroliers —enormes vaixells cisterna construïts expressament— o a través d’oleoductes (també coneguts amb el terme anglès pipelines). Els oleoductes, de milers de quilòmetres de llarg, uneixen els llocs de producció amb els ports de sortida o directament amb les refineries. Aquestes són les grans instal·lacions on s’efectua la refinació del petroli cru, i normalment estan situades als països consumidors.

El petroli és una primera matèria fonamental per a la indústria química, per a la producció d’energia tèrmica i elèctrica i per als transports. El cicle del petroli comporta riscos i danys ambientals en la fase d’extracció, sobretot dels pous del mar; en la fase de transport, sobretot contaminació marítima amb greus danys ecològics per accidents dels petroliers o arran de les operacions de rentatge, amb l’abocament a la mar dels dipòsits dels vaixells: i en la fase d’ús, a causa de l’emissió a l’atmosfera dels productes generats per la combustió.

La recerca i l’extracció del petroli

Esquema d’algunes de les situacions geològiques més freqüents que afavoreixen la formació de les anomenades trampes petrolíferes. Al primer dibuix es veu l’estructura geològica més tradicional, un anticlinal. És en els anticlinals on es concentrà la recerca de petroli. A les trampes petrolíferes l’aigua, més pesant, es manté a la base del jaciment (en color blau) mentre que el petroli (en negre) es manté per sobre, i el gas (en color taronja), més lleuger, se situa al sostre del jaciment.

ECSA

Trobar petroli no és un joc de nens, sobretot des que l’or negre ha deixat de ser tan abundant i els jaciments més accessibles s’han exhaurit. Els tècnics que s’ocupen de la recerca de petroli han de treballar amb una massa considerable de dades, obtingudes en serioses recerques dutes a terme amb diferents metodologies i utilitzant instruments i tècniques cada vegada més sofisticats. A més, com que el cost d’aquestes recerques no és precisament irrisori, cal que es redueixin els marges d’incertesa sobre l’existència i la localització exacta d’un jaciment. Al llarg del temps, la recerca de petroli ha passat per diverses fases, que donen testimoni dels progressos científics i tècnics esdevinguts en aquest camp i de la importància cada cop més gran que han adquirit els hidrocarburs. De l’explotació de les conques superficials s’ha passat a la de jaciments cada vegada més profunds gràcies al perfeccionament de les tècniques de recerca i d’extracció. L’exhauriment progressiu dels jaciments explotats des de fa més temps i l’augment del consum de petroli han imposat la necessitat d’explorar àrees encara verges per les dificultats objectives de recerca i localització, a causa de condicions ambientals i morfològiques particularment desfavorables. Així, s’han trobat jaciments a grans profunditats, tant a terra ferma com, sobretot, sota els casquets glacials i els fons marins.

Quadre 38.1 Principals estats productors de petroli (1996).

ECSA

En principi, la recerca de petroli comporta tres fases diferents: l’estudi geològic d’una regió determinada, l’anàlisi i la recerca geofísica amb l’instrumental adequat, i la perforació per a l’extracció. Les dues primeres fases no permeten observar directament les masses rocalloses que se suposa que contenen petroli, però faciliten als tècnics informació força detallada sobre les particularitats geològiques i estructurals dels estrats. La tercera fase, la més decisiva i la més cara, que pot confirmar o deixar en res molts mesos d’estudi, és l’única que permet verificar si efectivament hi ha petroli, quant n’hi ha i quin volum té el jaciment. Es pot obtenir del terreny mostres cilíndriques de roca, que permeten observar directament els estrats travessats, i també fer perforacions més o menys atzaroses (que els nord-americans anomenen wild cats, és a dir, gats salvatges) per valorar l’existència, la profunditat, les dimensions i la importància que pugui tenir l’hipotètic jaciment.

Quan ja s’ha trobat petroli, només queda instal·lar les estructures adequades per a l’extracció i començar el treball de treure’n com més millor. Probablement tots hem vist, si més no en fotografies, les característiques estructures metàl·liques (anomenades derricks o, més poèticament, arbres de Nadal, que en la “prehistòria” de la indústria del petroli eren de fusta) necessàries per al sondatge. Els derricks sostenen un cisell de material extremament resistent, la missió del qual és penetrar el terreny en girar ràpidament sobre ell mateix.

Paral·lelament, a mesura que el cisell penetra el terreny, s’introdueixen al forat tubs d’acer acoblats els uns als altres, i després el pou es revesteix amb una altra sèrie de tubs més amples, els quals permeten la sortida d’un fluid, introduït per la punta del cisell i que serveix per a refredar la maquinària. Quan finalment s’arriba al jaciment que es vol, es retiren el cisell i la primera sèrie de tubs per fer lloc a un altre conjunt de tubs més petits, que són els encarregats de conduir el petroli a la superfície, bo i regulant-ne el flux de sortida, ja que sovint el líquid és sotmès a fortes pressions i surt esquitxant. Posteriorment, la injecció d’un líquid o d’aire a pressió permet extreure el petroli que no vol sortir per ell mateix, amb la qual cosa s’aconsegueix una millor explotació del jaciment. Amb tot, com que amb aquest sistema no es pot extreure tot el petroli, cal utilitzar altres tècniques per a explotar el jaciment d’una forma òptima.

Els combustibles nuclears

L’urani i el tori, dos elements que es troben en la natura, un cop són preparats oportunament constitueixen la primera matèria que alimenta les centrals nuclears, en les quals es duu a terme la conversió de l’energia nuclear en energia tèrmica i després elèctrica. El procés de fissió nuclear a través del qual s’allibera energia es descriu en parlar de les centrals nuclears a “Centrals nuclears”. Aquí només ens interessa recordar que l’energia nuclear és molt elevada: basta pensar que la fissió completa d’1 g d’urani produeix la mateixa quantitat de calor que s’obté de la combustió completa d’unes 2 t de petroli.

Però l’urani i el tori no són els únics combustibles nuclears. En efecte, la utilització de l’urani en una central nuclear porta a la formació d’un altre material, el plutoni, que no és present en la natura i que també és capaç de generar energia per fissió (es tracta, doncs, d’un combustible artificial). Amb tot, convé introduir una precisió. En la natura es troba urani de dues menes o, com es diu amb terminologia científica, dos isòtops, l’un anomenat urani 235 (de símbol U235) i l’altre urani 238 (de símbol U238). Tots dos isòtops tenen les mateixes propietats químiques, però es distingeixen per algunes propietats físiques. La raó d’aquestes diferències rau en el nombre diferent de neutrons que contenen els seus nuclis: l’U238 conté 3 neutrons més que l’U235.

L’urani natural és format gairebé exclusivament (99,3%) per U238, de manera que la presència d’U235 equival al 0,7%. Dels dos isòtops només l’U235 pateix fàcilment la fissió, i per això també s’anomena isòtop físsil. L’U238 s’anomena isòtop fèrtil perquè té la propietat de transformar-se en plutoni físsil (Pu239) a les centrals nuclears. Així mateix, el tori (de símbol Th) i concretament l’isòtop Th232, és un material fèrtil que es transforma, a les centrals nuclears, en un altre isòtop físsil de l’urani, l’U233.

El cicle del combustible nuclear és complex: l’urani, després de l’extracció i la refinació (vegeu “Els recursos minerals”), quasi sempre és sotmès a un procés d’enriquiment isotòpic. Aquest procés tendeix a augmentar el percentatge de l’isòtop físsil U235 del 0,7% al 4-5%, percentatge que és més oportú per a la utilització a la major part de les centrals nuclears.

L’urani enriquit és processat posteriorment a la planta de fabricació i reduït a la forma adequada (els anomenats elements de combustible) per a alimentar la central nuclear. Després de la fase de treball a la central, el combustible exhaurit es pot sotmetre a un procés de reciclatge, amb la finalitat de separar-ne l’urani i el plutoni, és a dir, els productes útils, dels residus generats en el procés de fissió. L’urani i el plutoni es poden reciclar, mentre que els residus s’han d’emmagatzemar correctament.

En alguns casos no es fa el reciclatge, i per tant tot el combustible exhaurit es tracta com a residu.

Com que els residus emeten durant molts anys radiacions de diversa mena, nocives per als éssers vius, hi ha l’exigència ineludible d’aïllar-los i fer-los inaccessibles (vegeu “Què fer amb els residus radioactius”).

L’energia derivada dels combustibles nuclears avui dia es destina principalment a la producció d’energia elèctrica. El seu ús té una història més aviat curta, i la seva contribució a la satisfacció de les necessitats energètiques mundials és modesta (un xic superior al 4%). Les reserves conegudes d’urani són relativament abundants i distribuïdes pel món de manera força uniforme. Tot i això, l’energia que se’n pot obtenir depèn del tipus de centrals nuclears que utilitzen el combustible.

A les centrals actuals, les reserves conegudes equivalen, en termes d’energia obtenible, a les reserves actuals de petroli. Els problemes de la utilització dels combustibles nuclears tenen a veure principalment amb la contaminació radioactiva que poden provocar. Hi ha riscos relacionats amb el funcionament de les centrals nuclears i riscos relacionats amb algunes fases del cicle del combustible, particularment la reutilització i l’eliminació dels residus radioactius.

A més, existeix un altre risc de caràcter polític: el risc que proliferin les armes nuclears, ja que, en efecte, l’urani fortament enriquit i el plutoni poden ser usats amb fins no pacífics per part d’aquells estats que dominin les tecnologies adequades i que poden mantenir-se al marge del tractat vigent de no-proliferació nuclear.

Les centrals termoelèctriques

L’energia química dels combustibles fòssils i l’energia nuclear es converteixen en formes energètiques útils, com l’energia tèrmica, la mecànica i l’elèctrica. Les instal·lacions que fan aquesta conversió presenten característiques estructurals i funcionals diverses segons el combustible emprat, la forma d’energia que es vol obtenir i, fins i tot, l’ús que se’n vulgui fer. Si la finalitat principal de la instal·lació és la generació d’energia tèrmica per a ser utilitzada com a tal, aquesta pot ser un forn industrial en el qual es fa cremar el combustible fòssil que l’alimenta de manera que la calor produïda es pot aplicar, per exemple, a la fosa del ferro o a la producció de ciment. Les centrals tèrmiques destinades a la calefacció dels habitatges i les indústries són un altre exemple d’instal·lació d’aquesta mena, en què el combustible crema en una cambra de combustió i la calor és utilitzada per a escalfar aire o aigua, que, en circular de manera adequada, permeten transferir la calor als ambients que cal calefactar.

Quan la forma final de l’energia és la mecànica, com passa en els mitjans de transport, l’estació de conversió és el motor, a través del qual l’energia química del combustible que l’alimenta és transformada, per combustió, en energia tèrmica i després mecànica, segons diverses modalitats que depenen del tipus de motor (vegeu “Els mitjans de transport”). Aquest procés, com és sabut, s’utilitza per a la propulsió dels vehicles terrestres (motos, cotxes, autocars, trens no elèctrics), per a la propulsió tant d’helicòpters com d’avions i per a la propulsió de la majoria de les embarcacions amb motor.

Si la forma final de l’energia és l’elèctrica, la instal·lació corresponent, quan empra combustibles fòssils o nuclears, es defineix com a central termoelèctrica, pel fet que el procés de conversió de l’energia química o nuclear en elèctrica passa a través de l’energia tèrmica. És més, en quasi tots els casos l’energia tèrmica es transforma primer en energia mecànica i després en energia elèctrica.

Les centrals termoelèctriques es divideixen en dues grans categories: centrals termoelèctriques amb combustible fòssil i centrals termoelèctriques amb combustible nuclear (o, simplement, centrals nuclears).

Centrals termoelèctriques amb combustible fòssil

Hi ha dos tipus principals de centrals termoelèctriques amb combustible fòssil, que presenten característiques molt diferents: la central termoelèctrica de vapor i la central turbo o de gas. El tipus més difós és la central termoelèctrica de vapor. És composta per una caldera en la qual la calor produïda per la combustió de carbó, petroli o gas fa evaporar l’aigua que circula, mitjançant una bomba, per unes canonades banyades pels productes de combustió. El vapor, a alta pressió i temperatura, és enviat a una màquina motriu, anomenada turbina de vapor, que posa en marxa un arbre motor dotat de diverses files de pales. La turbina s’encarrega de la conversió de l’energia tèrmica del vapor en energia mecànica de l’arbre rotatiu. L’arbre de la turbina, al seu torn, fa girar el rotor d’un generador elèctric, anomenat alternador, que té la funció de transformar l’energia mecànica del seu rotor en energia elèctrica. Aquesta és enviada al transformador, que n’augmenta la tensió, i després a les línies elèctriques. El vapor que ha travessat la turbina i ha cedit part de la seva energia tèrmica és conduït a un condensador on, refrigerat amb aire o aigua, recupera l’estat líquid i es torna a fer circular.

Es pot dir que a les centrals modernes la quota d’energia tèrmica convertida en energia elèctrica és aproximadament del 40% de mitjana. El 60% restant el trobem en forma de calor a baixa temperatura, que en part va a parar a l’aire o l’aigua de refrigeració del condensador i en part s’aboca a l’ambient juntament amb els gasos d’escapament, a través de la xemeneia. Aquests residus són els causants de l’impacte mediambiental de les centrals.

L’altre tipus de central termoelèctrica és la central turbo o de gas, alimentada amb combustibles apreciats (sense sofre ni vanadi) com el gas natural o el gasoli. El funcionament és el següent: un compressor aspira aire de l’ambient, el comprimeix (és a dir, n’augmenta la pressió) i l’envia a una cambra de combustió on es mescla amb el combustible. Els gasos calents de combustió, a uns 1 000°C, són enviats a una turbina de gas, on fan girar un arbre dotat de pales que, al seu torn, acciona el rotor de l’alternador segons un procés del tot anàleg al ja descrit.

A la sortida de la turbina, els gasos, a una temperatura més baixa (d’uns 500°C), són enviats a la xemeneia; en aquest cas, la quota d’energia tèrmica convertida en energia elèctrica és del voltant del 30%.

És interessant al·ludir ara a les noves tecnologies, en fase de perfeccionament, per a la utilització del carbó com a generador d’energia amb un impacte mediambiental escàs. Examinem breument alguns tipus d’instal·lacions innovadores:

a- Centrals de cicle combinat gas/vapor. Aquesta mena de centrals tendeix a augmentar la quota d’energia tèrmica convertida en energia elèctrica, si bé a costa d’una major complicació de la instal·lació. Cal subratllar que la millora de les prestacions energètiques de la instal·lació implica també una reducció del seu impacte mediambiental.

Com hem dit, els gasos que emeten les centrals turbo o de gas tenen una temperatura elevada (uns 500°C), de manera que és possible recuperar una part d’aquesta energia. Així, doncs, els gasos d’escapament s’envien a una caldera de recuperació on part de la calor s’empra per a la producció de vapor d’aigua (com en les calderes normals) que alimenta una turbina de vapor segons un procés del tot anàleg al d’una central de vapor. Amb aquesta configuració d’instal·lació és possible convertir en energia elèctrica una mica menys de la meitat de l’energia tèrmica obtinguda amb la combustió, la qual cosa resulta significativament més avantatjosa que en les instal·lacions descrites abans.

b- Centrals de cogeneració. A les centrals termoelèctriques vistes fins ara l’únic producte útil és l’energia elèctrica. En la pràctica és possible, a més, obtenir calor. Això és el que passa en la cogeneració: generació simultània d’energia elèctrica i tèrmica a la mateixa estació.

L’objectiu d’aquestes instal·lacions és utilitzar la calor residual dels gasos d’escapament del turbodièsel o del vapor emès per la turbina de vapor, en comptes d’alliberar-los al medi ambient. La calor recuperada d’aquesta manera es pot destinar a la indústria o a la calefacció de barris sencers. En aquest darrer cas es parla de calefacció urbana o telecalefacció, ja que des de la central de cogeneració es ramifica la calor en una xarxa de conduccions, una mena d’“aqüeducte d’escalfor”. Així arriba a les cases l’aigua calenta per a la calefacció i per als escalfadors.

La cogeneració permet millorar la utilització de l’energia i al mateix temps redueix l’impacte mediambiental: imaginem-nos, per exemple, una ciutat sense les xemeneies de les centrals tèrmiques i dels edificis, gràcies a la telecalefacció.

És evident, doncs, que la utilització de la calor requereix l’augment de la producció elèctrica (perquè el vapor emès per la turbina es pugui aprofitar ha de tenir una temperatura de 150-200°C com a mínim, mentre que, si no s’utilitza, la temperatura d’emissió és d’uns 30-49°C), però l’equilibri energètic permet estalviar força combustible, a igualtat de servei proporcionat.

c- Centrals amb calderes de fluid. La tecnologia de les calderes de fluid, aplicades a les estacions de producció de vapor i energia elèctrica, ha rebut un fort impuls en els darrers anys ja que permet una flexibilitat notable en l’elecció del combustible, com també una interessant reducció de les emissions contaminants, sobretot òxids de sofre i nitrogen.

La caldera és alimentada per una mescla constituïda per carbó polvoritzat (o un altre combustible sòlid) i calcàries i dolomies (també en pols) que un corrent d’aire ascendent manté en suspensió (aquesta mescla de pols en suspensió en el corrent d’aire constitueix l’anomenat llit fluid). La presència de calcàries i dolomies en el fluid permet reduir les emissions d’anhídrid sulfurós. Gràcies a aquesta particularitat es poden fer servir carbons amb un alt contingut de sofre (o altres combustibles pobres com residus sòlids urbans, etc.), altrament inservibles. I com que la combustió es produeix a una temperatura inferior a la de les calderes més comunes, es formen menys òxids de nitrogen, que constitueixen una part dels agents contaminants que cal controlar.

Centrals nuclears

Esquema d’un reactor nuclear: 1. Edifici del reactor. 2. Nucli. 3. Barres de control. 4. Entrada d’aigua per a la refrigeració. 5. Estació de bombeig. 6. Bescanviador de calor. 7. Generador de vapor. 8. Generador de vapor en secció transversal. 9. Sala de màquines. 10. Conjunt de turbines i alternadors. 11. Línies d’alta tensió. 12. Plataforma d’accés. 13. Piscina d’aïllament. 14. Rampes d’accés. 15. Sala d’aparells de control. 16. Transformador de calor i bombes d’aigua de refredament.

ECSA

A les centrals nuclears, l’energia tèrmica és produïda per fissió del combustible nuclear. La transformació successiva de l’energia tèrmica en energia elèctrica es produeix com en les centrals termoelèctriques de vapor. A la central nuclear, la caldera és substituïda pel reactor nuclear, que és el component on té lloc la reacció nuclear de fissió, o sigui la desintegració d’un nucli d’urani o plutoni a conseqüència de l’impacte d’un neutró amb l’energia adequada. La fissió produeix els tres efectes següents: 1) ruptura del nucli en dos fragments principals, anomenats productes de fissió; 2) alliberament d’un cert nombre de neutrons (entre dos i tres) d’energia elevada; en certes condicions, aquests neutrons poden provocar noves fissions i generar així una reacció en cadena que s’automanté; 3) alliberament d’energia. Aquesta energia es manifesta principalment en forma d’energia cinètica (de moviment) dels fragments de fissió, a la qual s’afegeix l’energia cinètica dels neutrons alliberats i l’associada a les radiacions α, β i γ que són emeses.

L’energia cinètica dels fragments de fissió es converteix en energia tèrmica a l’interior del combustible nuclear, al qual també va a parar, en forma tèrmica, quasi tota l’energia de les radiacions i una part petita de l’energia cinètica dels neutrons.

Pel que fa al fenomen de la fissió, cal aportar una mica més d’informació. La probabilitat que un neutró fissioni un nucli depèn del tipus de nucli (des d’aquest punt de vista, els diversos isòtops de l’urani i el plutoni tenen característiques diferents), però també —cosa que és més important—, en gran mesura, de l’energia cinètica del neutró. Com més baixa és l’energia dels neutrons (i doncs, la velocitat), més probabilitats tenen d’entrar en col·lisió amb els nuclis i produir-ne la fissió. Els neutrons de baixa energia s’anomenen neutrons tèrmics, mentre que els d’alta energia, producte de la fissió, s’anomenen neutrons ràpids.

Com s’autoalimenta el procés de fissió? La fissió, la provoca un sol neutró, però en general n’hi ha entre 2 i 3 (2,5 de mitjana); un d’ells serveix per a mantenir el procés i provocar la fissió d’un altre nucli, cosa que posa en marxa la reacció en cadena. Una part de la resta dels neutrons és absorbida de manera parasitària pels materials o es dispersa al voltant del reactor, mentre que una altra part és capturada pels nuclis fèrtils (U238 en primer lloc, o Th232) i convertida en nuclis físsils ( Pu239 i U233, respectivament). Aquest procés s’anomena fertilització.

Cal recordar que els neutrons ràpids producte de la fissió perden energia amb les col·lisions successives amb els nuclis dels àtoms dels materials presents en el reactor. En alguns casos, el procés d’alentiment és afavorit aplicant uns certs materials, anomenats moderadors, amb la finalitat d’augmentar les probabilitats de fissió. En aquest sentit se sol dir que els neutrons són moderats.

La reacció en cadena es pot regular, i eventualment deturar, utilitzant les anomenades barres de control, constituïdes per materials que poden absorbir la totalitat dels neutrons presents i impedir que continuï la reacció en cadena.

A partir de la descripció de més amunt del procés de fissió nuclear podem comprendre quins han de ser els components principals d’un reactor nuclear. La part central del reactor (anomenada nucli) conté el combustible nuclear, el moderador i les barres de control. L’envolta un reflector (que minimitza les fugues de neutrons) i una pantalla de protecció de les radiacions. A més, pel reactor circula un fluid refrigerant que té la missió d’endur-se la calor generada per la fissió, calor que serà transformada parcialment en energia elèctrica.

Els reactors nuclears més comuns avui són reactors tèrmics, anomenats així perquè la fissió és produïda preferentment per neutrons tèrmics (de baixa energia), adequadament alentits per un moderador que pot ser aigua (H2O), aigua pesant (D2O, en la qual els dos àtoms d’hidrogen presents en la molècula d’aigua són substituïts per dos àtoms d’un isòtop seu anomenat deuteri) o grafit. Els reactors tèrmics més habituals incorporen l’aigua com a moderador, que també fa de refrigerant. Si a l’interior del reactor l’aigua no pateix evaporació, el reactor s’anomena d’aigua pressuritzada. En aquest cas, l’aigua de refrigeració, a alta pressió i temperatura, es fa circular pel reactor, on absorbeix calor que és utilitzada, en un generador de vapor, per a fer evaporar l’aigua d’un circuit secundari a pressió inferior; després el vapor produït s’envia a una turbina, on segueix un cicle semblant al d’una central termoelèctrica. Si l’aigua del reactor s’evapora, el reactor s’anomena d’aigua bullent. En aquest cas, el vapor produït és enviat directament a una turbina, sense que calgui la presència del generador de vapor.

Els reactors tèrmics presenten l’inconvenient que només utilitzen una fracció molt modesta (entre l’1 i l’1,5%) de l’energia potencial de l’urani. Precisament per optimitzar l’aprofitament dels recursos d’urani s’estan perfeccionant els reactors ràpids, anomenats així perquè la fissió és provocada per neutrons d’alta energia. En aquests reactors es fa servir més del 60% de l’energia potencial de l’urani.

Al món hi ha molt pocs exemplars de reactors ràpids, prototips de centrals destinades a experimentar les complexes tecnologies que preveuen l’ús del plutoni (element radioactiu i tòxic) i del sodi, el qual té una forta reactivitat química amb l’aigua i l’aire, amb el risc consegüent d’incendis i explosions.

A banda dels esmentats, són en fase de desenvolupament nous reactors de potència entre petita i mitjana, concebuts de manera que, en cas de mal funcionament, la interrupció de la reacció en cadena i l’eliminació de la calor del reactor quedin garantides per processos físics espontanis que s’activen fins i tot sense la intervenció de l’home. Aquests reactors s’anomenen intrínsecament segurs.

Fonts primàries renovables i instal·lacions per a la seva utilització

Les energies renovables tenen com a font comuna, directa o indirecta, el Sol, llevat de les marees, que són d’origen gravitacional, i la font geotèrmica, que depèn de la calor natural de la Terra. Les radiacions solars mantenen les condicions tèrmiques de l’hàbitat terrestre, alimenten el cicle de l’aigua a l’atmosfera, confereixen mobilitat a les masses d’aire que generen els vents i permeten el cicle orgànic a través dels processos de fotosíntesi de les plantes. En aquest sentit, l’energia hidràulica, l’eòlica i la que s’obté de les biomasses són formes diferents de l’energia solar.

En comparació amb les fonts no renovables, les renovables presenten algunes característiques particularment avantatjoses. En primer lloc, la disponibilitat natural és pràcticament il·limitada en el temps. A més, la font en ella mateixa no té cap cost econòmic, bé que els costos de les tecnologies que l’aprofiten poden ser elevats. D’altra banda, les fonts primàries renovables són presents arreu, en general són menys contaminants que les fonts fòssils i es poden utilitzar amb un alt nivell de seguretat (amb alguna excepció pel que fa a les grans centrals hidroelèctriques). Finalment, es poden fer servir amb instal·lacions de petites dimensions que s’adapten bé a determinades condicions d’ús i a una gestió descentralitzada. Per contra, les limitacions, sobretot de les fonts solar i eòlica, són la baixa densitat i la intermitència al llarg dels dies i les estacions. Requereixen, d’una banda, grans superfícies de captació, cosa que ocupa molt d’espai i exigeix material abundant en les instal·lacions, i, de l’altra, tot un treball adreçat a acumular-les en una altra forma o a inserir-les dins un sistema més complex que permeti als usuaris disposar de l’energia amb la continuïtat necessària. Però la simplicitat i la facilitat de gestió compensen aquests inconvenients.

Les tecnologies per a l’explotació racional de les fonts renovables (llevat de la hidràulica i, en part, la geotèrmica) encara no s’han perfeccionat del tot. Aquest fet explica l’aparició de molts problemes tècnics i, almenys en part, la manca de competitivitat econòmica enfront de les fonts tradicionals.

L’energia de l’aigua

Ja hem remarcat, a “L’aigua com a recurs”, la importància de l’aigua per a la vida de l’home. L’aigua en moviment també dóna origen a l’energia hidràulica, que representa la forma d’energia renovable més utilitzada actualment en la producció d’electricitat. En la balança energètica mundial representa aproximadament el 6% de l’energia primària consumida en conjunt i al voltant del 20% de l’energia elèctrica produïda. Es pot disposar d’aquesta font energètica a través del cicle recurrent de l’evaporació de l’aigua, especialment dels oceans, i de les precipitacions atmosfèriques. És més concentrada que l’energia solar directa i l’eòlica, ja que s’acumula amb més facilitat en reserves naturals, com els llacs i els pantans artificials.

La utilització de les reserves hídriques pot tenir implicacions importants en la configuració hidrogeològica de les zones de muntanya, i cal recordar que, a més d’una font d’energia, són un recurs mediambiental indispensable per a l’agricultura i per a la vida dels organismes.

L’ús de l’aigua com a font energètica pressuposa la instal·lació dels sistemes oportuns de recollida i conducció (vegeu “L’aigua com a recurs”), com també la maquinària per a la conversió de l’energia hidràulica en energia mecànica i després elèctrica. És la funció de les centrals hidroelèctriques: l’aigua cedeix la seva energia cinètica (deguda al seu moviment) a una turbina hidràulica connectada a un alternador per produir energia elèctrica.

Existeixen estacions d’aigua fluent, sense embassament. La seva regulació és escassa ja que depèn totalment del règim hídric del curs d’aigua i, per tant, de l’estació i de les precipitacions. Hi ha instal·lacions amb pantà (natural o artificial, mitjançant rescloses) que permeten l’acumulació de l’aigua, de manera que garanteixen un marge de maniobra més gran.

Una altra categoria d’instal·lacions és la d’acumulació per bombatge, que permet utilitzar l’energia elèctrica produïda en altres instal·lacions i és abocada a la xarxa durant la nit (en hores de poca demanda d’energia elèctrica) per bombar l’aigua recollida en un dipòsit de nivell inferior fins a un altre situat més amunt. Amb això s’aconsegueix la transformació de l’energia elèctrica en energia de posició o energia potencial hidràulica, acumulada en el dipòsit superior. En els moments de major demanda de potència es fa que l’aigua acumulada així circuli altre cop cap al dipòsit inferior, on acciona una turbina acoblada a un generador elèctric i recupera bona part (a la vora del 70%) de l’energia gastada en el bombatge. Les centrals de bombatge són, en definitiva, consumidores d’energia, però això és igualment avantatjós des del punt de vista econòmic perquè l’energia subministrada a les hores de màxima demanda és més apreciada i, per tant, més cara que l’emprada en el bombatge. D’altra banda, el bombatge posa a disposició una potència afegida que, altrament, s’hauria d’instal·lar en un altre lloc, amb totes les despeses que això comportaria.

L’energia del Sol

Isograma de l’energia solar global rebuda en un any per la superfície de la Terra (J/m2).

ECSA

El Sol irradia energia a l’espai en forma de radiacions electromagnètiques amb una longitud d’ona d’entre 0,2 i 3 µ. Per sobre de l’atmosfera, el flux d’energia radiant solar, és a dir, la potència tèrmica que travessa cada m2 de superfície, equival a 1,4 kW aproximadament, amb una discreta oscil·lació estacional a causa de la forma el·líptica de l’òrbita terrestre.

L’absorció per part de l’atmosfera redueix sensiblement la quantitat d’energia rebuda a la superfície de la Terra. A més, la distribució d’aquesta energia per la superfície varia molt segons la latitud, l’altitud, l’estació, l’hora del dia, les variacions en la transparència atmosfèrica. Considerant com a element d’avaluació només la latitud, la zona terrestre on la radiació solar és més intensa és la compresa entre els 40° de latitud N i els 40° de latitud S. En aquesta franja la intensitat mitjana de la radiació solar és d’unes 5 000 kcal per m2 i dia. A latituds superiors aquest valor es va reduint proporcionalment i presenta fortes oscil·lacions.

L’energia solar avui s’utilitza en forma de calor o convertida en energia mecànica o elèctrica, i també es pot emprar per a la conversió biològica de residus agrícoles, urbans i industrials en metà.

La utilització de l’energia solar per a escalfar l’aigua d’ús domèstic i, en perspectiva, per a la calefacció, mitjançant plafons solars comença a estendre’s a molts països. En efecte, amb la simple exposició dels plafons al Sol es pot obtenir aigua a una temperatura de 50-60°C, per bé que és necessari un acumulador de calor i un sistema d’escalfament auxiliar per tal de compensar la discontinuïtat de la radiació solar. En aquestes aplicacions normalment s’empren plafons solars plans, que transfereixen l’energia de la radiació solar a l’aigua (vegeu “Els plafons solars”). En canvi, per a assecar productes agrícoles, escalfar hivernacles i fins i tot interiors domèstics s’usen plafons solars d’aire. Una altra aplicació interessant de les tecnologies solars, la trobem al sector de la construcció, en un projecte adreçat a optimitzar la utilització de l’energia solar, mitjançant el qual és possible no solament escalfar els interiors sinó també mantenir-los frescos. Es tracta dels anomenats edificis solars passius, que assoleixen aquests objectius aprofitant obertures especials, els mateixos elements estructurals (parets) i la forma arquitectònica de l’edifici.

A l’hivern, una paret absorbidora acumula l’energia tèrmica atrapada per efecte hivernacle mitjançant una superfície transparent posada al davant. A l’interstici entre la paret i la superfície transparent l’aire s’escalfa, esdevé més lleuger i tendeix a moure’s cap amunt i generar un corrent ascendent que, a través de l’obertura superior, penetra a l’interior que cal calefactar. El corrent ascendent atreu l’aire més fred de sota, que al seu torn s’escalfa en contacte amb la paret absorbidora. Durant l’estiu, el joc de les obertures i el corrent d’aire ascendent, en aquest cas abocat a l’exterior i no pas dins el local, atreu l’aire fresc de l’exterior i contribueix a refrescar l’ambient interior. El sostre aïllat (és a dir, revestit de materials que limiten la dispersió de calor) redueix les dispersions de calor a l’hivern i impedeix l’aportació de calor indesitjada durant l’estiu. En l’àmbit de les tecnologies més prometedores que permeten explotar l’energia solar per a la producció d’energia elèctrica emergeix amb força la conversió fotovoltaica, que aprofita la capacitat de determinats materials (semiconductors) constituents de les cèl·lules fotoelèctriques de transformar les radiacions solars directament en energia elèctrica perquè generen una diferència de potencial. Normalment, una cèl·lula fotoelèctrica és constituïda per dues capes de silici oportunament tractat, de manera que una capa tingui una sobrecàrrega d’electrons i l’altra un dèficit. Quan la cèl·lula és irradiada per l’energia solar es genera un flux d’electrons que produeix energia elèctrica. Com que la capacitat de conversió o el rendiment d’aquests dispositius varia en funció del material utilitzat, s’estan fabricant noves cèl·lules fotovoltaiques que, en oferir un rendiment més elevat, són capaces de generar, a igualtat de superfície de captació, potències elèctriques cada vegada més grans.

Una instal·lació de cèl·lules fotoelèctriques requereix una gran superfície de captació. Per a fer front al caràcter intermitent de l’aportació solar cal disposar de sistemes d’acumulació de l’energia elèctrica amb dispositius electroquímics, del tipus de les bateries. A més, les cèl·lules proporcionen corrent continu i per tant necessiten aparells adequats a aquesta forma d’energia elèctrica o bé dispositius de conversió en corrent altern. Els costos de l’energia elèctrica produïda resulten, avui dia, molt elevats, però les innovacions tecnològiques que s’estan produint són prometedores també pel que fa a reduir aquests costos.

Existeix un altre mètode que també utilitza l’energia solar per a la producció d’energia elèctrica, basat en el mateix principi de les centrals termoelèctriques: a través d’un conjunt de superfícies de captació cilindricoparabòliques, les radiacions solars es concentren en un absorbidor constituït per una caldera. En aquesta caldera, situada a dalt de tot d’una torre, es produeix el vapor necessari per a accionar una turbina acoblada a un alternador.

L’energia de la biomassa

La biomassa és una primera matèria renovable que, a més de proporcionar a l’home aliment, fibres i fems, també es pot utilitzar per a produir energia. En efecte, la fusta és la font energètica més coneguda per l’home, i avui encara és molt utilitzada arreu del món. La biomassa destinada a l’energia és constituïda per tots aquells materials orgànics de rebuig o derivats de determinats conreus que es poden transformar en combustibles sòlids, líquids o gasosos o bé en productes químics substitutius d’alguns de derivats del petroli. Aquests materials tenen orígens diversos. Són residus produïts per l’agricultura, pels conreus destinats a l’alimentació humana i animal (palla de cereals, restes de podes, etc.) o bé són plantes expressament conreades amb aquesta finalitat o també destinades a l’alimentació (plantes amb un alt contingut de sucre, midó, etc.). De l’àmbit forestal també es poden recuperar notables quantitats de primera matèria llenyosa. Així mateix, les deixalles de les granges d’animals o els residus urbans són igualment fonts de biomassa (vegeu “Producció d’energia a partir dels residus”).

Les biomasses es poden convertir en combustibles de diversa mena, sia mitjançant l’ús de microorganismes, sia mitjançant l’acció conjunta de la temperatura i d’agents químics. Aquestes transformacions donen origen a nombrosos productes: metà, mescles de gasos de poder calorífic baix o mitjà, alcohols com l’etanol, el metanol, etc. Aquests productes troben múltiples aplicacions: el gas combustible es pot aprofitar per a produir energia tèrmica o elèctrica i els alcohols es poden usar, barrejats amb gasolina, en els motors d’explosió.

Un tipus d’instal·lació força estesa en les granges agrícoles és aquella que utilitza els residus orgànics per a produir, per fermentació anaeròbica, un gas combustible anomenat biogàs, que s’utilitza a la mateixa granja. Els residus del procés de digestió s’empren com a fertilitzants. D’aquesta manera es pot contribuir a resoldre també el problema de la contaminació causada per les substàncies orgàniques i es pot substituir, almenys en part, l’ús dels fertilitzants químics, que constitueixen un seriós problema mediambiental.

L’energia del vent

L’energia del vent o energia eòlica (en la mitologia grega, Èol és el déu del vent) representa una forma indirecta i igualment apreciada d’energia solar. És apreciada perquè ofereix l’avantatge de presentar-se en forma d’energia mecànica (l’energia del moviment de les masses d’aire), que pot ser transformada fàcilment en energia elèctrica per màquines anomenades aeromotors, amb un rendiment elevat.

L’ús de l’energia eòlica ja es coneix des d’antic, aplicada als molins de vent i als vaixells de vela. Els usos més recents, amb motors de vent, s’apliquen a l’obtenció d’aigua destinada als conreus. En les aplicacions modernes, el vent fa girar unes turbines de vent, acoblades mecànicament a un generador d’energia elèctrica. Com altres formes d’energia renovables, l’eòlica també té l’inconvenient de dependre totalment d’un fenomen natural com és el vent, de manera que, en previsió de la seva intermitència, requereix un sistema d’acumulació mitjançant bateries elèctriques o d’una altra mena.

Els aeromotors es poden utilitzar sols, o bé associats en desenes d’unitats que constitueixen les anomenades fàbriques de vent, les quals permeten obtenir potències elèctriques elevades. Amb tot, aquestes instal·lacions necessiten molt d’espai perquè les màquines han de quedar separades, per no interferir-se entre elles, almenys una distància de cinc a set vegades el diàmetre del rotor (segons la potència, aquests diàmetres poden anar de pocs metres fins a 90). Un altre inconvenient és el soroll dels aeromotors ràpids, però en contrapartida no fan emissions contaminants. Una forma particular d’energia eòlica és la del moviment de les ones de la mar; s’estan estudiant diverses tècniques per a poder-la aprofitar.

L’energia de les marees

Com se sap, les marees són causades pel moviment cíclic de grans masses d’aigua provocat per l’atracció de la Lluna i el Sol (vegeu “Els elements del paisatge terrestre”). Les oscil·lacions del nivell d’aquestes masses d’aigua (seguides d’una variació d’energia potencial) van lligades a l’alliberament de grans quantitats d’energia que es dissipa. L’aprofitament d’aquesta energia, que en definitiva és energia hidràulica, presenta problemes anàlegs als que apareixen en les instal·lacions hidroelèctriques que exploten petits salts d’aigua. En efecte, calen rescloses per a acumular l’aigua en preses durant la marea alta. Quan s’instaura la marea baixa, aquesta aigua, que surt de la presa, acciona unes turbines acoblades a alternadors.

L’única instal·lació d’aquesta mena que existeix al món és a la desembocadura del riu Rance, a França, on la marea alta assoleix, a la primavera, més de 13 m. Atesa la distribució irregular de les marees, són molt pocs els llocs potencials per a la seva explotació (canal de la Mànega, mar d’Irlanda, estret de Bering i costes canadenques).

L’energia de la Terra

El terme energia geotèrmica (o també, energia endògena) designa la calor natural de la Terra. A la part més superficial de l’escorça terrestre, la temperatura augmenta amb la profunditat, amb un augment mitjà d’uns 3°C cada 100 m. Però hi ha zones amb una activitat geotèrmica elevada on la temperatura pateix oscil·lacions molt més grans. Les aigües subterrànies, en entrar en contacte amb les roques calentes del subsòl, s’escalfen i en certs casos s’evaporen. El vapor o l’aigua surten de manera natural, en el cas dels guèisers, o artificialment mitjançant perforacions. Si el vapor assoleix prou pressió es pot utilitzar, com en una central termoelèctrica, per a accionar un grup turbina/alternador. En aquest cas la central s’anomena central geotermoelèctrica.

Si el fluid disponible és aigua calenta, aquesta es pot destinar a calefacció. Però aquesta aplicació no sempre és possible perquè, quan l’aigua es refreda, les sals minerals que conté en abundància es dipositen i donen lloc a incrustacions molestes en els components de la instal·lació. D’altra banda, sovint el vapor també surt acompanyat de substàncies tòxiques com bor i arsènic, anhídrid sulfurós i gasos radioactius com el radó. Hi ha camps geotèrmics sense fluid, sovint anomenats roques calentes i seques; l’explotació d’aquesta calor es pot fer injectant aigua a través de forats artificials, després d’haver creat, també artificialment, fractures en la massa rocallosa per tal de permetre-hi el pas de l’aigua.

Tecnologies energètiques del futur

Fins ara hem descrit processos i instal·lacions que, bé que molt diferents des del punt de vista de la maduresa tecnològica i la implantació, han estat experimentats àmpliament o, en tot cas, són factibles tecnològicament. Ara il·lustrarem breument algunes solucions potencialment innovadores però encara objecte de recerca i desenvolupament i, per tant, amb perspectives de factibilitat tecnològica i econòmica encara per definir.

Nous tipus de conversió

Pel que fa als nous tipus de conversió ens centrarem en la conversió directa de l’energia química en energia elèctrica i en la conversió magnetohidrodinàmica.

La primera és un tipus de conversió que es realitza en aparells anomenats cel·les de combustible o piles de combustible, on es genera energia elèctrica en corrent continu en el curs d’un procés d’oxidació, o de reacció química entre dos reactius. La reacció química procedeix a través d’un mecanisme en què participen els ions. Les cel·les de combustible s’assemblen molt a les bateries electroquímiques (similars a les dels cotxes), però se’n distingeixen pel fet que en les cel·les de combustible els reactius són introduïts contínuament, i també contínuament s’extreuen els productes de la reacció. La segona diferència és que, mentre que les bateries produeixen energia elèctrica a partir de l’energia química emmagatzemada, les cel·les de combustible produeixen energia elèctrica a partir d’energia química pròpia.

Com les bateries normals, són constituïdes per tres components essencials: un elèctrode negatiu (càtode), un de positiu (ànode) i una solució anomenada electrolítica, on resten submergits tots dos elèctrodes. Si s’envia hidrogen a l’ànode i oxigen al càtode es produeix la reacció d’oxidació iònica que porta a la formació de molècules d’aigua, amb conversió d’energia química directament en energia elèctrica. Es tracta del procés invers a l’electròlisi.

La quantitat d’energia química convertida en elèctrica oscil·la entre el 50 i el 60%. Per tant, és molt més gran que la que s’obté en els processos termoelèctrics, la qual cosa constitueix un dels motius que estimulen a desenvolupar aquestes cel·les. Un segon motiu rau en el fet que els productes de l’oxidació són no contaminants (com l’aigua) o poc contaminants.

S’estan estudiant diversos tipus de cel·les. Les més comunes són alimentades per hidrogen que s’obté del metà, però en el futur es preveu l’ús d’altres combustibles, entre els quals hi ha el carbó.

Passem ara a la conversió magnetohidrodinàmica. Són en una fase avançada de desenvolupament uns aparells, anomenats convertidors magnetohidrodinàmics, que permeten la transformació directa de l’energia tèrmica en elèctrica (amb un rendiment superior al 50%). Amb una font de calor a temperatura elevada es genera un plasma, un gas que no solament conté molècules o àtoms elèctricament neutres sinó també —a causa de la temperatura elevada i pel fet d’haver-hi afegit els additius químics oportuns— ions carregats positivament i electrons (carregats negativament). Si el corrent de plasma, a gran velocitat, és sotmès a un fort camp magnètic, per efecte de les forces del camp té lloc una separació entre electrons i ions positius. Els electrons es poden recollir en un elèctrode (ànode), mentre que els ions positius queden recollits en un càtode. Entre els dos elèctrodes s’estableix una diferència de potencial que es pot utilitzar per a fer circular el corrent elèctric pel circuit exterior d’utilització. D’aquesta manera s’aconsegueix la conversió directa de l’energia tèrmica proporcionada al plasma en energia elèctrica. A conseqüència d’aquest procés es redueixen tant l’energia cinètica com la temperatura del gas a un nivell en què deixa de ser un plasma. Aquest mateix gas es pot aprofitar per a produir vapor, destinat a una instal·lació termoelèctrica.

L’hidrogen com a combustible

L’hidrogen és un dels combustibles menys contaminants perquè la seva reacció de combustió amb l’oxigen de l’aire porta a la formació d’aigua. Però utilitzant l’aire com a comburent es produeixen quantitats més o menys grans d’òxids de nitrogen segons la temperatura de combustió. L’hidrogen pot ser produït per electròlisi de l’aigua o per descomposició tèrmica de l’aigua realitzada en presència de catalitzadors. És un element que té un interès notable en les estratègies energètiques per les seves característiques de combustible relativament net i perquè es pot transportar i distribuir a través de les xarxes de metanoductes existents. Destaca sobretot el seu paper com a acumulador d’energia elèctrica a través del procés d’electròlisi.

Com que l’energia elèctrica és difícilment acumulable com a tal (l’acumulació electroquímica en bateries és molt cara i poc pràctica), sorgeixen problemes sempre que la producció i el consum queden desfasats en el temps o no es disposa d’una xarxa elèctrica adequada, sobretot quan la font d’energia és intermitent com la solar i l’eòlica. En aquest cas es pot procedir a l’acumulació d’energia transformant l’energia elèctrica (no utilitzable en el moment) en energia química de l’hidrogen a través de l’electròlisi de l’aigua; i l’hidrogen es pot acumular fàcilment i es pot utilitzar quan convingui.

Aspectes energètics de la superconductivitat

Els materials que són bons conductors de l’electricitat també presenten una resistència al pas del corrent elèctric (resistivitat) que comporta una dissipació d’energia elèctrica en forma de calor: és l’efecte Joule de què es parla a "Electricitat i magnetisme".

Aquesta dissipació és particularment significativa en les línies elèctriques de fins centenars de quilòmetres de llarg que uneixen les centrals elèctriques als punts d’utilització.

Des del 1911 se sap que alguns materials, portats a temperatures properes al zero absolut, perden del tot la seva resistència elèctrica. Aquest fenomen s’anomena superconductivitat, i els materials en els quals es manifesta són els superconductors. L’interès d’aquest fenomen per a les aplicacions energètiques rau en el fet que els superconductors poden transportar energia elèctrica sense que se’n perdi una part en forma de calor per l’efecte Joule. I no tan sols això, perquè a través d’aquests materials és possible millorar les prestacions dels generadors i dels motors elèctrics i també es pot acumular energia elèctrica en forma electromagnètica, en grans magnetos superconductors. A banda les actuals dificultats tecnològiques, l’ús dels superconductors és avantatjós només si no cal gastar gaire energia per a arribar a temperatures tan baixes.

La fusió nuclear

Les reaccions nuclears de fusió constitueixen el procés energètic fonamental a través del qual es genera l’energia solar i dels estels. El cas més estudiat té a veure amb els nuclis de l’àtom d’hidrogen o, més ben dit, dels seus isòtops deuteri i triti. El nucli de deuteri és format per un protó i un neutró, mentre que el nucli de triti té, a més del protó, dos neutrons.

La reacció de fusió nuclear també s’anomena termonuclear per la temperatura elevadíssima a què es produeix. Es pot donar quan dos nuclis d’àtoms lleugers (per exemple, de deuteri i de triti) entren en col·lisió a gran velocitat i es fonen, és a dir, s’uneixen i alliberen una gran quantitat d’energia. Les reaccions de fusió més conegudes són les que es produeixen entre deuteri i triti, deuteri i deuteri, i deuteri i un isòtop de l’heli (He3). Perquè es produeixi la reacció de fusió cal portar la mescla dels dos elements a temperatures de desenes de milions de graus centígrads. A aquesta temperatura, la matèria és en estat de plasma, és a dir que els àtoms estan dissociats en ions de càrrega positiva i electrons (negatius).

En el cas de la reacció entre deuteri i triti, els productes de la reacció són neutrons i nuclis d’heli (He4), és a dir, nuclis compostos per dos protons i dos neutrons. Així, doncs, de la fusió dels dos nuclis lleugers deuteri i triti sorgeix un nucli més pesant i complex, l’heli.

Per què és difícil aconseguir la fusió? Perquè en el plasma els nuclis que han de reaccionar són dotats tots dos de càrrega positiva i per tant es repel·leixen. Per a superar aquest problema cal proporcionar-los una gran energia de xoc o energia cinètica mitjançant un fort augment de la temperatura. Ateses les elevades temperatures que hi intervenen, cal assegurar la contenció i l’estabilitat del plasma. Això s’aconsegueix mitjançant el seu confinament per l’acció d’intensos camps magnètics que impedeixen que el plasma entri en contacte amb les superfícies metàl·liques de contenció. Amb tot, actualment s’estan estudiant altres sistemes de confinament.

L’energia de la reacció de fusió es manifesta en l’energia cinètica dels neutrons i dels nuclis d’heli. La utilització pràctica d’aquesta energia pressuposa el pas a la forma tèrmica, seguit d’un procés de conversió termoelèctrica de tipus tradicional.

La fusió nuclear, en forma no controlada, ja s’ha experimentat amb fins bèl·lics amb les bombes d’hidrogen o bombes H. Encara no ha estat possible realitzar cap reacció de fusió controlada i capaç d’automantenir-se, és a dir, de procedir sense aportacions d’energia de l’exterior un cop iniciada. Malgrat els esforços que s’han fet fins ara en aquest sector, no resulta gens fàcil preveure’n els resultats, si tenim en compte les enormes dificultats científiques i tecnològiques que s’han de superar.

Des del punt de vista de l’impacte mediambiental, aquesta nova font energètica potencial presenta diversos aspectes en funció del tipus de reacció que es pugui utilitzar.