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Fuentes de energia. Los recursos naturales: renovables y no renovables

miércoles, 11 de enero de 2012

Los recursos naturales se clasifican en renovables y no renovables según si su extracción se ve compensada o no por una capacidad de regeneración suficiente. Cuanto más concentrado es un recurso energético, generalmente es menos renovable. Es decir, que su velocidad de formación actual es demasiado lenta como para reconstituir una parte apreciable de la cantidad de energía agotada. Así, el carbón y el petróleo son depósitos concentrados en lugares determinados de origen geológico muy antiguo y se acumularon durante millones de años; el consumo energético del hombre los hará desaparecer, casi completamente, en dos o tres siglos, y la cantidad formada durante este lapso de tiempo es insignificante. Por lo tanto, son recursos no renovables. En cambio, la energía solar y la biomasa derivada de él son recursos renovables porque el flujo de energía solar es constante. En general, la energía solar debe utilizarse inmediatamente, ya que no hay grandes posibilidades de almacenamiento salvo para ciertas formas de la biomasa, como la madera. Sin embargo, no se debe confundir la renovabilidad del producto con el contenido energético del sistema que permite su producción, así, la destrucción completa de un bosque y del suelo donde crece causaría la desaparición del recurso, que es renovable por definición.

Recursos no renovables

El carbón, el petróleo, el gas natural, pero también los combustibles de fisión nuclear, como el uranio, se clasifican en esta categoría.

Combustibles Fósiles:

El origen de los combustibles fósiles - carbón, petróleo y gas - está intimamente relacionado con el ciclo geológico. Estos combustibles fósiles son básicamente energía solar almacenada en forma de materia orgánica que ha escapado de su destrucción total por la oxidación.

El carbón. Geología y formación.

El carbón es esencialmente el residuo alterado de las plantas que florecieron en los antíguos pantanos de agua dulce o salada, típicos de los estuarios, lagunas costeras y las llanuras deltáicas. Su proceso de formación comienza en los pantanos ricos en vida vegetal, donde no está presente el oxígeno. Las plantas se descomponen parcialmente en este ambiente y se acumulan lentamente para formar una capa de turba. Estas capas pueden ser entonces inundadas por una subida relativa del nivel del mar (o un hundimiento del suelo) y cubiertas por sedimentos tales como arenas, limos, arcillas y materiales ricos en carbonato. Mientras más y más sedimentos se depositan, el agua y los gases orgánicos (volátiles) son expulsados , y el porcentaje de carbono aumenta en la turba comprimida.

El carbón se clasifica en rangos y de acuerdo a su contenido en azufre. El rango se basa por lo general en el porcentaje de carbono y en el valor de calor al quemarse. Los contenidos en C son:Turba (55 al 60% de C), Lignito (65 al 75% de C), Hulla (75 al 90% de C) y Antracita (90 al 95% de C). El contenido de azufre se puede clasificar como bajo (de cero a 1%), medio (entre 1,1 y 3%), o alto (más del 3%).

Impacto y uso futuro de la minería del carbón:

El impacto varía dependiendo de la topografía, el clima y principalmente las prácticas de reclamación. Manteniendo todos los otros factores iguales, el uso de carbón con bajo contenido en azufre como combustible para las plantas de producción de energía causa la menor contaminación del aire en emisiones de SO2. El drenaje de aguas ácidas de las minas es un problema serio en las áreas húmedas con abundante precipitación. Las aguas superficiales se infiltran en los bancos de material de desecho donde reaccionan con los sulfuros, como la pirita, y producen ácido sulfúrico. Este ácido se transporta y contamina las aguas subterráneas y los arroyos. Aunque las aguas ácidas también se pueden originar en las minas subterráneas, caminos de acceso y áreas donde la pirita en abundante, los problemas se magnifican cuando grandes cantidades de material de desecho permanecen expuestas a las aguas superficiales.

En las regiones áridas y semi áridas, los problemas de las aguas asociados a la minería no son tan pronunciados como en las regiones más húmedas, pero la tierra puede ser más sensible a las actividades mineras tales como la exploración y la construcción de caminos. En algunas áreas áridas, las huellas de los neumáticos pueden permanecer durante años, los suelos a menudo son poco potentes, el agua escasea y el trabajo de reclamación es difícil.

A medida que aumenta el comercio mundial, se dispondrá de nuevas minas con carbón más limpio. Por ejemplo, las minas de carbón de Borneo producen un carbón de bajo grado, pero de muy bajo contenido en sulfuros, por lo que se le llama “gas natural sólido” por ser una fuente de energía muy limpia. Estos depósitos tienen 66 m de grosor y sólo unos pocos metros de recubrimiento. A pesar del origen y calidad del carbón, existen muy pocas alternativas a la explotación de las enormes cantidades de carbón necesarias para alimentar las plantas termoeléctricas o proporcionar petróleo y gas por procesos de licuefacción o gasificación en el futuro. Un objetivo muy importante es encontrar formas de usar el carbón para minimizar el impacto ambiental. El fin de los suministros de petróleo y gas natural está aún a años vista, pero cuando llegue, generará una presión en la industria del carbón que le hará buscar minas más grandes. Esto puede tener muchos impactos medioambientales importantes por varias razones:

- Se utilizará más y más terreno para abrir minas que necesitarán cuidadosas restauraciones.

- A diferencia del petróleo o el gas, el carbón genera cenizas (del 5 al 20% de la cantidad original de carbón) que deben ser recogidas y tratadas. Dichas cenizas pueden utilizarse en los vertederos o para otros propósitos, pero en la actualidad cerca del 85% no tiene ninguna utilidad.

- El manejo de grandes cantidades de carbón en todos los pasos: recolección en la mina, procesado, transporte, combustión y tratamiento final de las cenizas, tendrá efectos medioambientales potencialmente adversos, incluyendo: contaminación del aire, agua y suelo por desecho de elementos traza peligrosos para la salud, degradación estética de las minas, plantas de producción y otros edificios relacionados con la industria del carbón.

Hidrocarburos: Petróleo y gas

El petróleo (o crudo) y el gas natural son hidrocarburos, constituidos por carbón, hidrógeno y oxígeno. El gas natural es principalmente CH4. Otros gases son: etano, propano, butano e hidrógeno. Al igual que el carbón, los hidrocarburos son, combustibles fósiles ya que se forman a partir de materia orgánica que ha escapado de la descomposición. El petróleo y el gas natural se encuentran concentrados en depósitos, que han sido extensamente explotados por medio de pozos, y también están disponibles en las arcillas bituminosas y las arenas asfálticas.

Geología de los depósitos de petróleo y gas

Después del agua, el petróleo es el líquido más abundante en la corteza terrestre, aún así, los procesos de formación del mismo sólo se conocen parcialmente. Muchos geólogos aceptan que el petróleo y el gas natural se derivan de la materia orgánica que ha sido enterrada por sedimentos marinos o lacustres. Los ambientes favorables donde los detritos orgánicos pueden escapar a la oxidación incluyen: áreas cercanas a las playas, caracterizadas por una rápida sedimentación que inmediatamente entierra la materia orgánica, y áreas de aguas profundas caracterizadas por ser deficitarias en oxígeno y por tanto favorecen la descomposición anaeróbica. Aparte de éstas, las localidades donde el petróleo y el gas se forman se clasifican como cuencas deposicionales subsidentes, en las cuales los sedimentos más viejos son enterrados por los más nuevos, así se les somete a presiones y temperaturas cada vez más altas.

La roca madre más importante de petróleo y gas natural es un sedimento rico en materia orgánica, de grano fino, que está enterrado a una profundidad de entre 1 a 3 km y está sujeto a calor y a presión que lo comprime. La temperatura y presión elevadas, junto con otros procesos, inician la transformación química de los detritos orgánicos en petróleo y gas.

El primero en formarse en un ambiente deficitario en oxígeno es el gas biogénico a partir de la acción de los microorganismos que consumen la materia orgánica enterrada y producen metano como sub-producto siguiendo la reacción: clip_image002

Casi un 20% del gas energético descubierto en la Tierra es gas biogénico. A medida que aumenta la profundidad de enterramiento, la temperatura y la presión, la porosidad de la roca madre se reduce debido a la compactación, y la alta temperatura mata a los microorganismos presentes; a profundidades de entre 3 a 6 km, se forman el gas y el petróleo termogénicos. Su formación incluye la transformación de materia orgánica por medio de reacciones fisico- químicas asociadas a la presión y temperatura. Después de formarse, los hidrocarburos termogénicos comienzan una migración hacia ambientes superiores con presiones más bajas y porosidad más alta. Esta migración primaria a través de la roca madre se convierte en migración secundaria a medida que los hidrocarburos se mueven más libremente hacia y a través de rocas más permeables y de grano más grueso (tales como las areniscas y las calizas fracturadas) que reciben el nombre de rocas almacén o reservorio. Si en su recorrido llegan hasta la superficie, el petróleo y el gas se escapan, esto explica por qué la mayor parte del petróleo y del gas se encuentra en rocas geológicamente jóvenes (de menos de 100 m.a.), los hidrocarburos de rocas más antiguas han tenido más tiempo para alcanzar la superficie y perderse.

A profundidades todavía mayores, por debajo de los 6 km, sólo se forma gas termogénico, tanto a partir del petróleo que se ha formado a profundidades menores como a partir de materia orgánica aún presente en las rocas. El proceso entero, desde la deposición inicial hasta el enterramiento profundo a menudo dura millones de años. Cuando concluye casi la mitad de la materia orgánica original depositada en la cuenca aún está en la roca y no ha sido transformada a petróleo o gas. Si se le somete a un incremento todavía superior de presión y temperatura se transforma en grafito.

En el momento en que el petróleo y el gas son atrapados en su migración hacia la superficie por una barrera relativamente impermeable, se acumulan en las rocas reservorio. Si la barrera o roca confinante tiene una geometría (o estructura) adecuada tal como un domo o un anticlinal, quedarán atrapados en su cresta. Existen diferentes trampas: anticlinales, domos, fallas, o discordancias.

Producción, distribución y cantidad de petróleo y gas

Los pozos de producción extraen el petróleo por medio de diferentes métodos de recuperación. La recuperación primaria utiliza la presión natural del reservorio para hacer que el petróleo fluya hacia el pozo, pero el bombeo no extrae más del 25% del total del reservorio. Para aumentar la recuperación hasta un 50 o 60% se necesitan métodos mejorados de recuperación (secundarios o terciarios). Estos métodos manipulan la presión del reservorio inyectando gas natural, agua, vapor, y/o productos químicos, haciendo que el petróleo migre hacia los pozos y pueda ser bombeado hacia la superficie por medio de las ya familiares bombas en forma de cabeza de caballo, bombas sumergibles u otros medios de extracción. La producción del petróleo también genera una cantidad variable de agua salada (salmuera). Después de separarla, dicha agua debe ser tratada porque es tóxica para el ambiente. El procedimiento normal es inyectarla como parte de la recuperación secundaria o dejar que se evapore en embalses impermeables a cielo abierto.

La distribución del petróleo o del gas en el espacio y el tiempo geológicos es bastante compleja, pero en general se pueden aplicar 3 principios:

Primero, el petróleo y el gas natural se explotan casi exclusivamente de rocas sedimentarias depositadas durante los últimos 500 m.a. de la historia de la Tierra.

Segundo, a pesar que hay muchos campos petrolíferos en el mundo, aproximadamente el 85% de la producción total, incluyendo las reservas, se encuentra en menos del 5% de los campos productores; 65% en casi el 1% y, por extraño que parezca, el 15% de las reservas conocidas de petróleo en el mundo pueden encontarse sólo en dos de los yacimientos del Medio Oriente.

Tercero, la distribución geográfica de los grandes campos productores muestra que están localizados en zonas tectónicamente inactivas en los últimos 60 a 70 m.a.

Es difícil evaluar las reservas de petróleo y carbón del mundo, al ritmo actual de producción, durarán sólo unas décadas (entre 40 a 60 años). Existe siempre la posibilidad que se descubran nuevas y grandes acumulaciones, y de hecho, recientemente se han descubierto grandes yacimientos cerca de Santa Bárbara (California), en las costas de Ecuador, o en la frontera entre Colombia y Venezuela. Aunque continúen los descubrimientos, las reservas conocidas durarán sólo unos pocos años antes que la escasez sea evidente. Este cambio afectará grandemente nuestra sociedad basada en el petróleo, pero no parece ser un problema insuperable si se preparan planes a corto y largo plazo para disminuir la dependencia en los hidrocarburos y utilizar más las fuentes de energía alternativas. Este cambio requerirá tiempo, investigación y desarrollo, por ello es importante que se comience el trabajo ahora.

Impacto de la exploración y del desarrollo de los hidrocarburos

El impacto ambiental varía de insignificante (para las técnicas de percepción remota) hasta muy grande e incluso inevitable para los proyectos tales como el oleoducto en Alaska. El impacto de la exploración de petróleo y gas puede incluir la construcción de caminos, perforación exploratoria, y la construcción de líneas de suministro para las áreas remotas. Estas actividades, excepto en las regiones sensibles tales como los ambientes semi áridos o áridos y algunas áreas de permafrost, generalmente causan efectos poco dañinos al paisaje y los recursos comparado con las actividades de desarrollo o consumo. En todo el proceso de desarrollo de los campos petrolíferos y de gas (que incluye la perforación de pozos en tierra o por debajo de la superficie del mar; el tratamiento de las aguas residuales traídas a la superficie con el petróleo; el transporte por medio de cargueros, oleoductos y otros métodos hasta las refinerías; y la transformación del crudo en productos útiles) existe un potencial bien documentado del impacto ambiental debido a los problemas asociados con el tratamiento de las aguas residuales, los vertidos accidentales, la rotura de los oleoductos, fugas en los tanques de almacenamiento, contaminación del aire en las refinerías, etc. Las costas de Europa y América han sido afectadas por graves vertidos accidentales que han contaminado las playas, estuarios y bahías, las aguas subterráneas y superficiales, matando la vida marina y a las aves, han causado problemas económicos a las zonas que dependen del turismo.

Un impacto importante ya familiar asociado al petróleo es la contaminación del aire, la cual se procuce en áreas urbanas cuando se queman combustibles fósiles en automóviles o para producir energía eléctrica

y calefacción. Los efectos adversos del smog en la vegetación y la salud humana están bien documentados.

Arcillas bituminosas

Son rocas sedimentarias de grano fino que contienen materia orgánica (kerógeno). Al calentarse (destilación destructiva), las arcillas bituminosas desprenden cantidades importantes de hidrocarburos que son insolubles en los solventes comunes de petróleo. Como otros combustibles fósiles, el origen de las arcillas bituminosas involucra la deposición y sólo parcial descomposición de los detritos orgánicos. Los ambientes favorables para las arcillas bituminosas son los lagos, los arroyos estancados, o las lagunas en las cercanías de los pantanos ricos en materia orgánica y de las cuencas marinas. Después de millones de años desde que el sedimento fue enterrado, una pequeña actividad tectónica desordena los sedimentos. Posteriormente, el levantamiento y basculamiento local de las rocas han expuesto a las arcillas bituminosas a la erosión. La identificación de los recursos de las arcillas bituminosas del mundo ha permitido estimar su contenido en petróleo de unos 3 millardos de barriles, pero aún no se ha realizado la evaluación de la calidad del petróleo. El impacto ambiental del desarrollo de los recursos de las arcillas bituminosas variará de acuerdo con la técnica de recuperación, como por ejemplo la minería superficial y subsuperficial, o las técnicas in situ. La tecnología de extracción del petróleo de estas arcillas aún es muy cara. Sin embargo, si los precios actuales suben lo suficiente, probablemente se le considere una fuente alternativa.

Arenas asfálticas

Son rocas impregnadas con asfalto u otros materiales derivados del petróleo a partir de los cuales se puede recuperar el combustible, pero no por los métodos usuales tales como la perforación de pozos. Aquí se incluyen muchos tipos de rocas: argilitas, calizas, areniscas consolidadas o no. Lo que tienen en común es que contienen una variedad de productos del petróleo semi líquidos o semi sólidos. Algunos de estos productos rezuman de los afloramientos, mientras que otros son difíciles que recuperar, incluso utilizando agua caliente. El petróleo en las arenas asfálticas es muy similar al petróleo pesado bombeado de algunos pozos. La única diferencia real es que el de las arenas en mucho más viscoso. Una posible conclusión acerca de la geología de las arenas asfálticas es que se forman esencialmente de la misma manera en que se originan petróleos más fluidos, pero la mayoría de los volátiles y líquidos acompañantes en las rocas reservorio se han escapado. Se han identificado grandes acumulaciones de arenas asfálticas, como por ejemplo las de Athabasca en Alberta, Canadá, que cubren un área de aproximadamente 78000 km2 y contienen una reserva estimada de 35 millardos de barriles de petróleo. Además, se conocen pequeños recursos de estas arenas en Utah (1.8 millardos de barriles) y Venezuela (900 millones de barriles). El proceso de recuperación del petróleo de las arenas asfálticas es relativamente fácil una vez que han sido recogidas de la mina; consiste en el lavado del petróleo viscoso con agua caliente, haciendo que fluya hacia la superficie y recogiéndolo por diversas técnicas.

Energía nuclear: Fisión

La primera fisión nuclear controlada fue en 1942, iniciando la utilización del uranio en los explosivos y como fuente de calor para proporcionar vapor y generar electricidad. La fisión de 1 kg de óxido de uranio genera aproximadamente la misma cantidad de energía que se obtiene de quemar 16 toneladas métricas de carbón.

Reacciones en cadena

La fisión nuclear es el bombardeo del núcleo atómico con neutrones. La fisión del núcleo del uranio (U235) libera 3 neutrones, fragmentos de fisión (núcleos de elementos radiactivos más ligeros que el uranio), y energía en forma de calor. Los neutrones liberados golpean otros átomos del U235, generando más neutrones, productos de fisión y calor. El proceso continúa en una reacción en cadena, mientras más fisión de uranio, más liberación de neutrones. Una reacción en cadena incontrolada es una explosión (armas nucleares). Las reacciones nucleares controladas son las que se emplean para producir electricidad. En una muestra de uranio natural podemos encontrar tres tipos de uranio: U238, que constituye aproximadamente el 99.3%; U235 que es casi un 0.7% y el U234 que representa un 0.005%. El U235 es el único material que se puede someter a fisión y por tanto es esencial para la producción de energía nuclear.

El uranio natural se procesa para aumentar su contenido en U235 de un 0.7 a casi un 3% antes de usarlo en un reactor. Este combustible procesado se denomina uranio enriquecido. El U238 no se puede fisionar, pero es un “material fértil” debido a que si se somete a bombardeo de neutrones se puede convertir en Pu239 (fisionable).

Diseño y operación de reactores

Muchos reactores hoy en día consumen más material de fisión que el que producen, por lo que se les conoce como reactores quemadores. Los principales componentes de un reactor son: el núcleo, las barras de control, el refrigerante y el contenedor del reactor. El núcleo del reactor, donde ocurre la reacción en cadena, está en un contenedor de acero inoxidable. (Para una mayor seguridad, el reactor entero se encuentra dentro de edificio de cemento reforzado que se denomina estructura de contención). Los tubos de combustible, que consisten en unos granos de uranio enriquecido dentro de tubos al vacío menores a 1 cm de diámetro, se agrupan (40.000 o más en un reactor) en subconjuntos de combustible en el núcleo. La reacción en cadena se mantiene controlada dosificando la concentración de combustible y el número de neutrones liberados que están disponibles para continuar con la fisión. Las barras de control contienen materiales que capturan los neutrones, evitando que bombardeen otros núcleos. Cuando las barras se extraen del núcleo, la reacción en cadena se acelera, si se insertan la reacción disminuye. El refrigerante (por lo general agua) se hace circular a través del reactor, extrayendo el calor producido por la fisión. Cuando el refrigerante es agua, no sólo extrae el calor, sino que también actúa como regulador, disminuyendo la eficacia de los neutrones y facilitando la fisión del U235.

El reactor de agua presurizada (RAP) utiliza el calor generado en el núcleo del reactor para hacer vapor. Es un reactor de agua ligera porque utiliza agua ordinaria como refrigerante. El agua que circula en el circuito primario (sistema cerrado) se calienta en el núcleo del reactor; luego transfiere su calor al generador de vapor (intercambiador de calor), convirtiendo el agua del circuito secundario en vapor que se utiliza para mover las turbinas del generador. Esta configuración permite que el agua del circuito primario, que es radiactiva, permanezca aislada dentro de la estructura de contención. Otro reactor de este tipo que se utiliza actualmente es el reactor de agua en ebullición (RAE). Este posee un sistema de circuito directo porque no utiliza un intercambiador de calor, el circuito primario va directamente del núcleo del reactor a la turbina, por lo que debe estar fuertemente revestida, cosa que incrementa los costes de construcción y mantenimiento. Para evitar el agotamiento del U235, se han desarrollado reactores que producen más material de fisión que el que utilizan. Son los reactores productivos, que utilizan combustible generado a partir de Pu239 rodeado por una capa de material fértil (U238), produciendo Pu239 adicional, al mismo tiempo el núcleo del plutonio se fisiona, produciendo calor que se utiliza para generar la electricidad.

Geología y distribución del uranio

La concentración natural de uranio en la corteza terrestre es de unas 2 ppm. El uranio se genera a partir de magmas y se concentra en las rocas graníticas en casi 4 ppm pudiéndolo encontrar en gran variedad de minerales. Algo de uranio también puede encontrarse en las rocas ígneas de los estadios finales de cristalización fraccionada como las pegmatitas. Para obtener uranio de las minas, debería tener un factor de 400 a 2500 veces la concentración natural. Existen tres tipos de depósitos que han producido la mayor parte del uranio en los últimos años: areniscas impregnadas con minerales de uranio (a menudo se encuentra en delgados lentejones interestratificados con limolitas), venas de materiales ricos en uranio localizadas en las fracturas de las rocas y depósitos en placeres en ríos o deltas (actualmente rocas sedimentarias de grano grueso) de más de 2.2 millardos de años de edad. Se supone que el uranio de estos depósitos se ha derivado del lixiviado de vidrio volcánico asociado con rocas sedimentarias o de las rocas graníticas expuestas en los márgenes de las cuencas sedimentarias. La cantidad de uranio de los depósitos conocidos se cree que puede durar hasta el siglo XXI.

Riesgo asociado con los reactores de fisión

La energía nuclear y la posibilidad de efectos adversos han sido objeto de intensos debates. La fisión nuclear utiliza y produce isótopos radioactivos. En cada paso del ciclo nuclear (la extracción y procesado del uranio de las minas, la fisión controlada en los reactores, el reprocesado del combustible nuclear gastado y el tratamiento final de los desechos radioactivos) se expulsan grandes cantidades de radiación al ambiente. Además, con el transporte y tratamiento de los materiales nucleares se asocian grandes riesgos, al igual que con la construcción de reactores en varios paises. Por otro lado, el plutonio producido en los reactores puede utilizarse para fabricar armas nucleares, por lo que las actividades terroristas y la posibilidad de acciones irresponsables por los gobiernos añaden un riesgo que no está presente en ninguna otra forma de producción energética.

Una reacción en cadena no controlada (explosión nuclear) no puede ocurrir en un reactor porque el material fisionable no está suficientemente concentrado. Sin embargo, las reacciones químicas no deseadas pueden producir explosiones en un reactor, liberando sustancias radioactivas al medio ambiente. Aunque se estima que la posibilidad de un accidente desastroso es muy baja, aumenta con cada uno de los reactores que se ponga en funcionamiento. Ejemplos los tenemos en los accidentes de Three Mile Island (EUA) y Chernobil (ex URSS). Posiblemente debamos asumir que no estamos preparados para manejar la energía nuclear. Por ello existe la tendencia a construir reactores más seguros. Una de las ideas es diseñar pequeñas unidades modulares que serían menos susceptibles a un accidente grave; también tienen otra ventaja: si uno o más de ellos deben cerrarse por mantenimiento, el resto puede continuar en funcionamiento.

El futuro de la energía a partir de la fisión

Probablemente, debido al incremento en los costes, consideraciones ambientales y otros factores, los planes para generar electricidad a partir del uranio deban cambiarse. Puede que en un futuro la energía obtenida a partir de la fisión sea una fuente ilimitada de energía barata, pero la utilización de esta energía debe hacerse asegurándose que es para el beneficio de las personas y no para perjudicarlas. El impacto de lo que se inició en 1942 todavía está por determinar.

Energía a partir de la Fusión

En contraste con la fisión, que implica la rotura del núcleo de los átomos pesados, la fusión combina los núcleos de elementos ligeros para formar otros más pesados, liberando energía en el proceso. Las reacciones de fusión son la fuente de energía en nuestro sol y en otras estrellas. En la reacción que se utiliza para producir energía se introducen dos isótopos de hidrógeno (deuterio y tritio) en la cámara del reactor de fusión, donde se mantienen las condiciones necesarias de temperatura, presión y densidad para que se realice el proceso. Los productos de la fusión son la generación de helio (que gasta el 20% de la energía liberada) y neutrones (con el restante 80% de energía liberada). La energía obtenida a partir de la fusión tiene una gran variedad de aplicaciones, incluyendo el aire acondicionado o la calefacción de edificios, la producción de combustibles sintéticos, y sobre todo, la producción de electricidad. Se cree (pero aún debe probarse) que las centrales de fusión serían económicamente competitivas con las otras fuentes de producción de energía eléctrica. Desde el punto de vista medioambiental, la fusión parece ser bastante buena: los impactos por el uso del terreno o el transporte son pequeños comparados con las fuentes de producción energética por fisión nuclear o por quema de combustibles fósiles. La fusión no genera los productos y residuos radiactivos que genera la fisión, además sus productos tienen poca radiación y constituyen un riesgo potencial muy bajo a la hora de un accidente.

Por otro lado, en la construcción de los reactores de fusión probablemente se utilizarían productos nocivos para el ser humano, tales como el litio que es tóxico cuando se ingiere. Otros riesgos potenciales son los fuertes campos magnéticos y las micro ondas que se usuarían para contener la radiación de vida corta que emitiría el reactor y para calentar el plasma (material eléctricamente neutro compuesto de iones, núcleos cargados positivamente y electrones cargados negativamente).

Recursos renovables

La transición de los combustibles fósiles a las fuentes de energía renovables ha comenzado. Las tres fuentes de energía más importantes que seguramente se utilizarán aún en un futuro cercano son: los combustibles fósiles, (el carbón, el petróleo y el gas natural); la energía nuclear (fisión en la actualidad, fusión en un futuro); y las fuentes de energía renovable, que incluyen la energía solar directa, la energía hidroeléctrica, la biomasa y el viento, además de la energía geotérmica. Un punto importante concerniente a las fuentes de energía renovables es que en muchas partes del mundo son fuentes de energía autóctonas de una determinada región.

La necesidad de tomar en serio a las fuentes de energía renovable se acentúa cuando examinamos el impacto ambiental. Los combustibles fósiles dañan el ambiente a través del ciclo de combustión, desde la extracción en la mina al procesado y consumo, también pueden modificar el clima por medio del incremento de las emisiones de dióxido de carbono, partículas finas de materia y otros productos. La energía nuclear, a pesar de no implicar riesgo de modificación climática, se asocia a problemas tales como el tratamiento de los resíduos, los accidentes y la proliferación de las armas nucleares. Finalmente, no se debe olvidar que son recursos no renovables, por tanto algún día se agotarán.

Las fuentes de energía renovables se recuperan rápidamente para mantener un suministro constante si no se sobre explotan, así con una buena administración podemos considerarlas como sostenibles. Debido a que su energía se deriva directa o indirectamente del sol, pueden considerarse manifestaciones de la energía solar.

De forma amplia, la energía solar incluye: la energía derivada directamente del calor del sol que se denomina energía solar directa y la energía derivada del viento, agua o de la biomasa que se denomina energía solar indirecta. Existen dos maneras de aprovecharlas: los convertidores climáticos (energía hidráulica y eólica) y los convertidores biológicos (la biomasa).

Además de la sostenibilidad, las ventajas de las fuentes de energía renovables son que generalmente causan una degradación ambiental mínima y, con excepción de la quema de la biomasa o de los residuos urbanos, no añaden dióxido de carbono a la atmósfera. Una desventaja de estas fuentes energéticas es que (a excepción de la energía hidroeléctrica, la biomasa y la conversión de la energía térmica del océano) son intermitentes y están muy localizadas. Además, algunas de estas fuentes, tales como las celdas solares fotovoltáicas, son considerablemente más caras que las fuentes de energía de los combustibles fósiles o la energía nuclear. Sin embargo, con la posible excepción de la fusión nuclear, algunas formas de la energía solar son aparentemente las únicas fuentes de energía alternativa en nuestros días.

Energía solar directa

Hace unos 2500 años, los griegos diseñaron sus casas para aprovechar la luz del sol, los indios del sudoeste de los EUA utilizaron la asimetría de los valles y la diferencia en la exposición a la luz del sol para calentarse en invierno y tener sombra en verano. A lo largo de toda la historia ha habido una evolución en la arquitectura solar (Fig. 3) y en la tecnología, pero el progreso ha sido interrumpido periódicamente por el influjo de combustibles aparantemente inagotables y baratos tales como los bosques, los grandes depósitos de petróleo, gas natural, carbón y uranio. Las primeras crisis energéticas, desde la escasez de madera en tiempos de los griegos o los romanos hasta las huelgas de la industria del carbón en los EUA a finales del siglo XIX, han conducido al redescubrimiento de los conocimientos concernientes a las aplicaciones prácticas de la energía solar.

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Figura 3: Ejemplo de arquitectura adaptada a las condiciones climáticas: orientación con respecto a los vientos dominantes y el sol.

La cantidad total de energía solar que alcanza la superficie terrestre es enorme. A escala global, dos semanas de energía solar son aproximadamente equivalentes a la energía almacenada en todas las reservas conocidas de carbón, petróleo y gas natural de la Tierra.

Sistemas activos y pasivos

La energía solar puede utilizarse directamente a través de sistemas activos o pasivos. Los sistemas pasivos a menudo implican diseños arquitectónicos, sin mecanismos que mejoren y aprovechen los cambios naturales en la energía solar que ocurren a lo largo del año. Muchas casas y edificios en el mundo utilizan sistemas pasivos que aprovechan al menos una parte de los recursos solares. Dos ejemplos de sistemas pasivos son:

(1) El uso de paredes especialmente diseñadas para absorver la energía solar durante el día, por la noche, el calor almacenado se utiliza para calentar las habitaciones.

(2) La construcción de cornisas en los edificios que permiten que la luz del sol de bajo ángulo penetre en la casa y la caliente en invierno, mientras que en verano sirven para impedir que los rayos del sol más intensos y de ángulo mayor entren en las habitaciones, ayudando a que se mantengan frescas.

Los sistemas activos de energía solar requieren mecanismos, generalmente aparatos que hagan circular el aire, agua u otros fluidos de los recolectores solares hacia acumuladores de calor donde pueda almacenarse hasta su utilización. Los recolectores solares son por lo general paneles que están formados por una placa de vidrio sobre un fondo negro a través del cual se hace circular agua por medio de tubos. La radiación solar de onda corta entra en el contenedor de vidrio y es absorvida por el fondo negro. Debido a que este fondo emite la radiación en onda larga, el agua que circula en los tubos se calienta en un rango de temperaturas desde 38 a 93ºC. Estos sistemas se utilizan para calentar agua que luego se puede usar en edificios y piscinas.

Celdas solares

Otro aspecto potencialmente importante de la energía solar directa es el uso de las celdas solares, o celdas fotovoltáicas, que convierten la luz del sol directamente en electricidad. Estas celdas son muy caras, casi 5 veces más que la electricidad producida por fuentes tradicionales como los combustibles fósiles. Por otro lado, el campo de la tecnología solar está cambiando rápidamente, y las celdas solares de bajo costo estarán cada vez más al alcance en un futuro cercano. La producción anual de electricidad en el mundo a partir de celdas fotovoltáicas es de 60 megawatts (MW), repartida por igual entre los EUA, la CE y Japón. Muchos de los sistemas fotovoltáicos se emplean en áreas remotas, donde producen electricidad para comunicación, refrigeración, equipos de investigación y luz eléctrica, entre otros usos.

Plantas de producción de energía solar

Durante la década de los 80 se desarrollaron una gran variedad de plantas de producción de energía solar. Una de las primeras variedades era una “torre de producción” que trabajaba recolectando la energía solar en forma de calor y la transportaba en forma de vapor hacia turbinas que producían la electricidad. Una de estas plantas experimentales de 10 MW de potencia está en el desierteo de Mojave en California. La torre tiene aproximadamente 100 m de altura y está rodeada de aproximadamente 2000 módulos especulares, cada uno de los cuales tiene un área reflectante de cerca de 40 m2 . Los espejos se ajustan contínuamente a la rotación terrestre para reflejar la mayor cantidad posible de luz solar a la torre. Actualmente se están planificando otras torres experimentales en Japón y otros países. La investigación continuada en el campo de esta tecnología es muy útil y seguramente continuará en los próximos años.

Conversión de la energía térmica del océano

Un último ejemplo de uso directo de la energía solar es la utilización de parte del ambiente marino como un recolector solar gigantesco. La temperatura superficial del agua del océano en los trópicos normalmente es de 28ºC. A una profundidad de unos 600 m, puede estar entre 2 y 6ºC. Para explotar esta diferencia de temperaturas y producir electricidad se han diseñado sistemas de baja eficacia. En 1994 se realizaron experimentos en Kailua-Kona, Hawaii, la planta piloto utilizó un sistema abierto para generar 225 kW obteniéndose 104 kW netos. Los sistemas abiertos extraen agua caliente del océano, la cual se hace pasar a través de una cámara al vacío para producir vapor a una temperatura de unos 22ºC, que se utiliza para mover una turbina que generará electricidad. Como intercambiador de calor se utiliza agua fría del océano que sirve para condensar el vapor de agua, produciendo como subproducto agua dulce. Se necesitan grandes cantidades de agua caliente para que funcione el sistema, ya que se vaporiza menos del 0.5% del agua.

Los sistemas cerrados también se han utilizado en la estación de Hawaii para producir electricidad. Éstos utilizan el agua caliente del océano en un intercambiador para vaporizar amoníaco líquido, este vapor mueve una turbina y se produce electricidad. En un condensador se utiliza agua fría del océano para convertir el vapor de amoníaco en un líquido presurizado de nuevo. También se llevan a cabo experimentos paralelos en algunos laboratorios de Hawaii (Keahole Point, en la costa Kona), que han dado resultados interesantes. Dicho laboratorio está localizado en un lugar ideal debido a que la pendiente del fondo del mar es muy pronunciada alcanzándose fácilmente las aguas más profundas y frías. Aunque sólo se produce una pequeña cantidad de energía, la acuacultura es un sub-producto: las aguas frías, ricas en nutrientes se utilizan para cultivar mariscos, ostras, salmón, etc. en grandes tanques o piscinas de policultivo. El laboratorio también utiliza el agua fría para el aire acondicionado, ahorrando en la factura del suministro eléctrico.

Energía hidráulica

La energía hidráulica procede directamente de la energía solar. La radiación solar permite la evaporación de las capas superficiales del océano, iniciando el ciclo del agua. La utilización de la energía hidráulica como fuente de energía ha sido un hecho exitoso al menos desde tiempo de los romanos. Las norias han sido utilizadas en Europa Occidental desde el siglo XVII, extrayendo la energía cinética del agua corriente para convertirla en energía mecánica. Durante los siglos XVIII y XIX se utilizaron grandes norias para mover los molinos, las sierras y otras máquinas en Europa y los EUA. El potencial mundial de energía hidráulica corresponde a unos tres millones de MW.

Plantas Hidroeléctricas

Aunque la cantidad total de energía eléctrica producida en estas plantas puede aumentar en los próximos años, el porcentaje puede reducirse a medida que aumenten otras fuentes energéticas tales como la nuclear, la energía directa del sol y la geotérmica. La mayoría de los sitios adecuados para colocar grandes presas y producir electricidad probablemente ya están siendo utilizados. Por lo que en el futuro podrían emplearse los sistemas hidráulicos a pequeña escala. Estos sistemas están diseñados para casas individuales, granjas o pequeñas industrias; producen menos de 100 kW; y representan una de las fuentes de energía más antíguas y comunes. Tales plantas pueden ayudar a reducir el coste de la compra de energía eléctrica a los proveedores locales.

Un aspecto interesante de la energía hidráulica es “el almacenamiento por bombeo”, el objetivo es hacer un mejor uso del total de la energía eléctrica obtenida de diferentes fuentes a través de la administración energética. La idea básica es que, durante el período en que la demanda es baja, la electricidad de las centrales nucleares o de las plantas de carbón o petróleo se utilice para bombear agua a los reservorios superiores. Luego, cuando la demanda de electricidad es alta, el agua almacenada se hace fluir hacia las turbinas para complementar el suministro eléctrico.

Energía mareal

Otra forma de energía hidráulica es la energía de las mareas. Es una forma de energía gravitacional, provocada por la atracción lunar. La capacidad de este tipo de energía es limitada (la altura de las olas debe exceder los cinco metros) y los lugares en donde se explota en el mundo son poco numerosos. Además se estima que su potencial representa apenas un 10% del potencial hidroeléctrico mundial.

El principio de utilización de la energía mareal es construir presas perpendicularmente a la entrada de las bahías, creando una cuenca por detrás al igual que una diferencia entre el nivel del agua del océano y el nivel en dicha cuenca. Entonces, a medida que el agua entra o vacía la cuenca se puede aprovechar para utilizarla para mover turbinas y producir electricidad. Una planta mareomotriz en el río Rance cerca de Saint Malo, en Francia, produce dos mil MW de electricidad por medio de 24 turbinas distribuidas a lo largo de la presa.

Uso e impacto de la energía hidráulica

La energía hidráulica es una energía limpia. No requiere quema de combustible, no contamina la atmósfera, no produce residuos radioactivos ni de otro tipo, y es eficiente. Sin embargo, existe un precio medioambiental que pagar. El agua que cae desde las presas puede absorver nitrógeno, éste puede entrar en la sangre de los peces, expandirse y matarles. Además, las presas acumulan sedimentos que no alcanzarán el mar y no rellenarán las playas. Por muchas otras razones, las personas no quieren que se conviertan los ríos en una serie de lagos.

El crecimiento de la utilización de la energía hidráulica en el futuro está limitado por las diferentes objeciones a la construcción de las presas y por el hecho que muchos de los lugares adecuados para construir presas ya las tienen construidas. Por otro lado, parece que existe un interés creciente en la utilización de sistemas micro hidráulicos para generar electricidad o energía mecánica. El impacto ambiental de numerosas estaciones micro hidráulicas puede ser considerable, ya que cambian el flujo natural de los torrentes, afectando a la vida animal y a la productividad. Las pequeñas presas y reservorios también tienden a rellenarse con sedimentos, disminuyendo el tiempo de vida útil.

Energía eólica

La energía eólica resulta de la diferencia de temperatura entre las diversas capas de la atmósfera, especialmente en las regiones tropicales ecuatoriales y las polares. Por encima de estas últimas, el aire se enfría y llega a ser más denso, con lo cual su peso lo arrastra a las regiones tropicales; aquí se calienta y es aspirado en una corriente ascendente hacia las regiones polares. La rotación de la Tierra, los accidentes del relieve y la presencia de los océanos complican evidentemente el comportamiento de los vientos.. Al igual que la energía solar directa, la energía eólica ha evolucionado a lo largo del tiempo. Desde las antíguas civilizaciones china y persa hasta la actualidad el viento ha impulsado barcos y movido molinos. Más recientemente, se ha utilizado para generar electricidad. El potencial mundial de la energía eólica corresponde a una cantidad aproximada de 200 millones de MW, aunque existen muchos problemas debido a que los vientos tienden a ser muy variables en el tiempo, lugar e intensidad.

Desde finales del año 1800 hasta aproximadamente el año 1950 se han producido unas mejoras importantes en el tamaño de los molinos y en la cantidad de energía que producen, principalmenete como consecuencia de la búsqueda de nuevas fuentes de energía por parte de los países desarrollados. Además, tanto en Europa como en los EUA existen miles de pequeños generadores aeromotrices que se utilizan en las granjas. Muchos de estos generadores producen casi 1 kW de potencia y aunque no se pueden comparar con las centrales eléctricas, complementan las necesidades energéticas para las que se han instalado.

A escala nacional, las áreas con mayor potencial de desarrollo de la energía eólica son el norte de Galicia, el sur de Cádiz y de Almería, algunas zonas en las Islas Canarias, el Cabo de Creus y el delta del Ebro, entre otras.

Utilización e impacto del poder del viento

Esta fuente energética seguro que no resolverá nuestros problemas energéticos, pero sigue siendo una buena alternativa porque es renovable y puede utilizarse en algunos lugares para reducir la dependencia en los combustibles fósiles. La producción total en el año 1997 en España fue de 417MW.

Por otro lado, la energía eólica tiene algunos inconvenientes: primero, los estudios han demostrado que los molinos pueden tener algunos problemas por la vibración (ruido, daño a la maquinaria, etc); segundo, los molinos pueden causar interferencias a las señales de radio y TV; tercero, pueden matar aves; y finalmente, si son muchos pueden causar una degradación del paisaje. Aún así, la energía eólica tiene un impacto ambiental relativamente bajo.

La energía de las olas se deriva de la energía eólica, que es finalmente energía solar. Pero su potencial es limitado y su captura plantea un número de dificultades tecnológicas y prácticas que hace muy dudosa su utilización en un futuro inmediato.

Energía a partir de la biomasa

Biomasa es el nombre que se le da actualmente al combustible más antíguo utilizado por el hombre. Es la materia orgánica que puede quemarse directamente o ser transformada a una forma más conveniente para luego quemarla. Por ejemplo podemos quemar madera en una chimenea o convertirla en carbón. La biomasa contiene un potencial energético muy importante, en gran parte ha sido explotada por el hombre para su alimentación (energía endosomática) y para generar calor por combustión. También tiene usos no energéticos (textiles, madera para construcción, papel, celulosa para la industria química, etc.). Cuando los primeros europeos comenzaron a colonizar América, había mucha más madera disponible que la que se podía quemar. Actualmente, existen menos areas forestales, pero aún así, más de un millardo de personas todavía utilizan la madera como su principal fuente de energía para calefacción y cocinar. Aunque la leña sea la forma más conocida y utilizada de la biomasa, existen otras. En la India y otros países se emplea el estiércol seco como combustible.

La energía obtenida de la biomasa puede tener muchas aplicaciones: quema de biomasa para calentar directamente agua o aire, o para producir electricidad, destilación de la biomasa para producir alcohol que se utilizará como combustible, etc. En los paises Europeos se emplea de un tercio a la mitad de la basura urbana para producir energía, ya sea por producción de biogas en los vertederos, o por la quema de los residuos orgánicos, etc.

Energía geotérmica

El calor interno de la Tierra, que es debido a la radioactividad de las rocas y que es por lo tanto de origen nuclear, se manifiesta en la superficie en dos formas, una es difusa, el gradiente geotérmico; la otra es concentrada y asociada a fenómenos de las regiones volcánicas (volcanes, géiseres, fuentes termales, etc.). El uso de esta fuente energética es una interesante aplicación del conocimiento geológico y la tecnología. Las plantas geotérmicas se desarrollaron en Italia usando vapor seco en 1904 y en la actualidad se emplean para generar electricidad en muchas otras partes del mundo. En algunos lugares, la energía geotérmica no es lo suficientemente caliente para producir electricidad y se utiliza para calefacción de edificios o para fines industriales. Las plantas geotérmicas existentes usan sólo una pequeña parte del total de la energía que puede aprovecharse del inmenso reservorio de calor interno de la Tierra. Si sólo un 1% de la energía geotérmica existente en los 10 km más superficiales de la corteza terrestre pudiera ser aprovechado, constituiría 500 veces el total de las reservas de los recursos de petróleo y gas.

Geología de la energía geotérmica

Algunas áreas tienen un flujo de calor más alto que otras, la mayoría están asociadas al ciclo tectónico. Los sistemas de las dorsales oceánicas (límites de placa divergentes) y las zonas de subducción (límites de placa convergentes) son áreas donde este flujo natural de calor de la tierra es anormalmente alto. Basados en los criterios geológicos, se pueden definir muchos sistemas geotérmicos: de convección hidrotermal, ígneos calientes, geopresurizados y de aguas subterráneas normales (fríos). Cada sistema tiene diferente origen y diferente potencial como fuente de energía.

Sistemas de convección hidrotermal

Se caracterizan por la presencia de una capa permeable en la cual circula una cantidad variable de agua caliente. Existen dos tipos básicos: sistemas dominados por vapor y sistemas de agua caliente. Los sitemas de convección hidrotermal dominados por el vapor son reservorios geotérmicos en los cuales están presentes tanto el vapor como el agua a una cierta produndidad. Cerca de la superficie, donde la presión es menor, el agua se convierte en vapor supercalentado, el cual puede entubarse y dirigirse directamente a las turbinas para generar electricidad.

Estos sistemas tienen una recarga de aguas subterráneas muy lenta, es decir que las rocas calientes hacen hervir más agua que la que se puede reemplazar por causas naturales o por la inyección artificial de agua. En general, los sistemas de convección hidrotermal de agua caliente son más comunes que los dominados por vapor. Los sistemas de agua caliente tienen zonas de agua caliente circulante (sin vapor) que cuando se taponan se mueven hacia zonas de menor presión, llevando a la superficie una mezcla de vapor y agua. El agua debe eliminarse del vapor antes de utilizarlo en las turbinas. Un problema con este sistema es el tratamiento del agua resultante, aunque una de las soluciones es reinyectarla para que vuelva al ciclo.

Sistemas ígneos calientes

Están formados por rocas calientes que no están en contacto con las aguas subterráneas. Tales sistemas pueden estar formados por magma fundido a temperaturas de entre 650º a 1200ºC (dependiendo del tipo de magma) o por una gran cantidad de roca caliente seca. Además, tienen una mayor cantidad de calor almacenado que cualquier otro de los sistemas geotérmicos; sin embargo, debido a la falta de circulación de aguas subterráneas, se han desarrollado métodos innovadores para poder utilizar el calor. A algunos de estos reservorios se puede acceder por medio de la perforación, en tal caso las rocas deben ser perforadas y luego fracturadas con explosivos o técnicas de hidrofraturación. Entonces, se inyecta agua en un pozo y se extrae en otro para recuperar el calor.

Sistemas geopresurizados

Estos sistemas existen donde el flujo normal de calor de la tierra queda atrapado por capas impermeables de arcilla que actúan como unos aislantes muy efectivos. Los ambientes favorables se caracterizan por la rápida deposición de sedimentos y subsidencia regional. El agua enterrada y atrapada a gran profundidad en los sedimentos desarrolla una considerable presión de fluidos y se calienta. Posiblemente el mejor ejemplo de sistemas geopresurizados es el Golfo de México, donde se han identificado temperaturas entre 150º y 273ºC a profundidades de 4 a 7 km. Estos sistemas tienen el potencial de producir grandes cantidades de electricidad debido a que contienen:

- Energía térmica que puede extraerse del agua caliente.

- Energía mecánica en el agua a alta presión que puede usarse para mover turbinas.

- Como valor añadido, grandes cantidades de metano disuelto (hasta 1 m3 por barril de agua).

Sistemas de aguas subterráneas

A una profundidad de 100 m, las aguas subterráneas están a una temperatura de unos 13ºC. Ésta puede considerarse fría si se quiere emplear para bañarse, pero es caliente si se compara con la temperatura del aire en invierno o es fría con respecto a la temperatura del aire en verano. Los aparatos que transfieren el calor entre las aguas subterráneas y el aire en un edificio pueden explotar estas diferencias en temperatura para calentar edificios en invierno y enfriarlos en verano. Aunque inicialmente puede ser un recurso caro por los gastos de la perforación, los sistemas geotérmicos que usan la temperatura del agua subterránea se encuentran en uso en algunas localidades. Al subir los costes de la energía, tales sistemas son cada vez más favorables.

Impacto medioambiental del desarrollo de la energía geotérmica

La energía geotérmica se desarrolla en un lugar en concreto y los problemas medioambientales incluyen: ruido, emisiones de gas e impacto visual. Afortunadamente, el desarrollo de la energía geotérmica no requiere el transporte excesivo de materiales, refinados o no, típicos de los combustibles fósiles. Las plantas geotérmicas producen menos del 1% de los óxidos nitrosos y del 5% del dióxido de carbono producidos por la quema de carbón en las plantas térmicas que producen cantidades de energía comparables. Por último, la energía geotérmica no produce las partículas de materia contaminante asociadas a la quema de combustibles fósiles; ni produce ningún residuo radiactivo.

Con la excepción de los sistemas dominados por vapor, el desarrollo de plantas geotérmicas produce una contaminación térmica considerable a partir de los residuos de agua caliente que pueden ser altamente corrosivos. A menudo se reinyectan en el reservorio geotérmico, aunque ésto también genera ciertos problemas: la inyección de fluidos puede activar los sistemas de fracturas en las rocas y causar terremotos. Además, la extracción original de los fluidos puede compactar el reservorio, causando subsidencia superficial.

Principales problemas relacionados con la energía:

El ambiente en que vivimos cambia contínuamente debido a las“causas naturales” sobre las que tenemos poco control. Existen muchas variaciones, tales como las manchas solares, las erupciones volcánicas, terremotos, vientos huracanados, inundaciones e incendios forestales. La vida en la Tierra ha mostrado una sorprendente flexibilidad a los constantes cambios del medio ambiente. Hasta hace poco, las acciones de la humanidad en el ambiente han sido de poca importancia, exceptuando posiblemente la explotación de las grandes áreas forestales en Europa, China y Centro y Sudamérica.

Después de la Revolución Industrial a finales del siglo XVIII, y particularmente en el siglo XX, la agresión antropogénica hacia el medio ambiente ha sido cada vez más importante debido al crecimiento de la población y el enorme incremento en el consumo personal, principalmente en los países industrializados. Lo que caracteriza estos cambios medioambientales causados por la humanidad es que ocurren en cortos períodos de tiempo (normalmente décadas). Como resultado, nuevos problemas en el campo medioambiental se han convertido en objeto de estudio y gran preocupación, principalmente los que se muestran en la tabla 1.

Tabla 1:

Principales problemas medioambientales

Problema medioambiental

Principal fuente del problema

Principal grupo social afectado

Contaminación del aire urbano

Energía (industria y transporte)

Población urbana

Contaminación del aire dentro de las casas

Energía (cocina)

Población rural de escasos recursos

Lluvia ácida

Energía (consumo de combustibles fósiles)

Todos

Disminución de la capa de ozono

Industria

Todos

Efecto invernadero y cambio climático

Energía (consumo de combustibles fósiles)

Todos

Disponibilidad y calidad de agua potable

Incremento de la población, agricultura

Todos

Degradación de las costas

Transporte y energía

Todos

Deforestación y desertificación

Incremento de la población, agricultura y energía

Población rural de escasos recursos.

Residuos químicos tóxicos y peligrosos

Industria y energía nuclear

Todos

Se destaca por ejemplo que la contaminación del aire y la lluvia ácida se deben en gran parte a la quema de combustibles fósiles y al transporte urbano. El efecto invernadero y el cambio climático son debidos principalmente al uso de los combustibles fósiles. La deforestación y la degradación del suelo se deben, en parte, a el uso de madera para cocinar. Tales problemas son también importante causa de la pérdida de la biodiversidad. En algunas otras situaciones medioambientales, la energía no juega un papel dominante, pero, no obstante, es importante de manera indirecta, como en la degradación del mar y las costas que se debe en parte a los derrames de petróleo. En el caso de los riesgos y los desastres medioambientales, el papel de la energía nuclear quedó claramente definido por el accidente de la central nuclear de Chernobil.

Contaminación del aire Urbano

La contaminación del aire en las ciudades es probablemente el producto visible menos deseado de la civilización; incluso las sesiones del Parlamento Británico en Londres tuvieron que posponerse debido a algunos “episodios” de contaminación graves. Uno de los más serios ocurrió en 1952 cuando la pesada niebla fue la responsable de 4000 muertes y más de 20.000 casos de enfermedad.

Tales desastres derivaron en la aprobación del Acta de Aire Limpio del Reino Unido de 1956, que establece los límites de las emisiones de los contaminantes e indica niveles aceptables de calidad de aire. A continuación surgieron otras leyes en el mismo Reino Unido, Norte América, muchos países de Europa Occidental y Japón. Como resultado, se crearon agencias de control, regulación y evaluación de calidad medioambiental con consecuencias altamente beneficiosas.

La tabla 2 muestra los síntomas que resultan de la exposición a algunos contaminantes al igual que los niveles permitidos por la Organización Mundial de la Salud (OMS).

Tabla 2:

Criterios de los efectos en la salud de los principales contaminantes del aire de la OMS.

Contaminante

Síntomoas

Criterios de exposición de la OMS

Dióxido de azufre

- Irritación respiratoria, pérdida del aliento, impedimento de la función pulmonar, aumento de la susceptibilidad a las infecciones, enfermedades en el tracto respiratorio inferior (especialmente en los niños), enfermedad pulmonar crónica y fibrosis pulmonar.

- Incremento de la toxicidad en combinación con otros contaminantes.

500 µg/m3 por cada 10 minutos.

350 µg/m3 por cada hora.

Partículas de materia respirables

- Irritación, defensas inmunológicas alteradas, toxicidad sistemática, disminución de las funciones pulmonares y agotamiento cardíaco.

- Actúa en combinación con el SO2; los efectos dependen de las propiedades químicas y biológicas de las partículas individuales.

No existen criterios sobre efectos en la salud.

Óxidos de nitrógeno

- Irritación nasal y ocular, enfermedades del tracto respiratorio, daños y disminución de las funciones del pulmón y agotamiento cardíaco.

400 µg/m3 por cada hora;

150 µg/m3 por cada día.

Monóxido de carbono

- Interfiere con la absorción de oxígeno en la sangre (anoxia crónica).

- Puede originar daños en el corazón y el cerebro, disminución de la percepción, asfixia; o en dosis menores: debilidad, fatiga, dolores de cabeza y náuseas.

100 mg/m3 por cada 15 minutos;

60 mg/m3 por cada 30 minutos;

30 mg/m3 por cada hora,

10 mg/m3 por cada 8 horas.

Plomo

- Enfermedad de Kidney y deficiencias neurológicas.

- Afecta principalmente a los niños.

0.5 a 1.0 µg/m3 por cada año.

Oxidantes fotoquímicos (ozono)

- Disminución de las funciones pulmonares, agotamiento o ataque cardíaco, enfisema, fibrosis, y envejecimiento de los tejidos pulmonares y respiratorios.

150 - 200 µg/m3 por cada hora;

100 - 120 µg/m3 por cada 8 horas.

Fuente: Tolba. M.K. et al. (eds), 1992. The World Environment 1972 - 1992. UNEP, Chapman & Hall, Londres.

Contaminación del aire dentro de las viviendas y lugares de trabajo

Existen tres tipos de problemas asociados con la contaminación del aire dentro de las viviendas:

- “Tradicional” debida a la cocción, normalmente dentro de las casas, la cual produce humo, partículas, monóxido de carbono y otros gases que afectan principalmente a la gente de escasos recursos. Más de un millardo de personas en los países en vías de desarrollo son víctimas de este tipo de contaminación.

- “Ocupacional” que genera enfermedades tales como la silicosis, el envenenamiento por mercurio, y otras, sus víctimas son los mineros y los trabajadores de las industrias.

- “Moderna” que afecta a las personas que viven en los edificios modernos con poca ventilación, debida al radón y al asbesto presentes en los materiales de construcción, y al formaldehído emitido por materiales aislantes.

La quema de biomasa para cocinar realizada por las personas de escasos recursos ha sido identificada por la OMS como el mayor problema de salud por contaminación del aire dentro de las viviendas en la actualidad; la OMS estima que casi 1,5 millardos de personas viven en ambientes de aire poco sano. Se han reportado altos niveles de exposición al humo, a menudo diez o más veces que los límites recomendados por la OMS, en estudios de emisiones en varios paises en vias de desarrollo. Estos, de hecho, han sido relacionados con las Infecciones Respiratorias Agudas (IRA), en particular la neumonía, además de un gran número de otras dolencias.

Las mujeres, quienes generalmente realizan más del 90% de las tareas domésticas incluyendo cocinar, y sus niños son el segmento de la población que se expone en mayor medida y de forma continuada a la contamminación del aire dentro de las viviendas. Los niveles de contaminación resultantes en las casas y cuartos de cocina representan la dosis particular equivalente a fumarse varios paquetes de cigarrillos al día. Las IRA son, de hecho, el riesgo de salud más importante para los niños en las naciones en vías de desarrollo y son las responsables de unas 4,3 millones de muertes estimadas al año. Entre todas las enfermedades endémicas, incluyendo la diarrea, las IRA constituyen la causa de enfermedades crónicas más universal.

La tabla 3 muestra que las exposiciones diarias recomendadas por la OMS en general no se cumplen, por un amplio margen, en un gran número de países en vías de desarrollo,

Tabla 3:

Concentraciones del aire dentro de las viviendas.

Exposición típica en algunos países en vías de desarrollo *

Contaminante

Exposiciones diarias recomendadas por la OMS

1-20 mg/m3

Partículas de materia sólida

0.12 mg/m3

10-50 mg/m3

CO

10 mg/m3

0.1-0.3 mg/m3

N2O

0.15 mg/m3

1-20 µg/m3

Benzo-alfa-pireno

0.001 µg/m3 **

Notas: * India, Nepal, Nigeria, Kenya, Guatemala y Papua Nueva Guinea.

** Concentración causante de cáncer en 100.000 personas después de una exposición de toda la vida.

Fuente: OMS, Ginebra, 1990.

Lluvia ácida

La preocupación acerca del daño por acidificación comenzó en Suecia, hace unos 30 años, cuando la población de peces comenzó a disminuir en ríos y lagos y parecía estar relacionada con los cambios en la acidez del agua. El pH de la lluvia ácida en los EUA y Suecia se encuentra en el rango entre 4 y 5.Los dos ácidos principales presentes en la lluvia ácida son el sulfúrico (H2SO4) y el nítrico (HNO3). Estos ácidos se forman en la atmósfera a partir del dióxido de azufre (SO2) y los óxidos de nitrógeno (NOx). Los productos de la quema de combustibles fósiles SO2 y NOx pueden ser arrastrados por el viento hasta distancias superiores a los 1000 km del punto de emisión. Esto provoca lluvia ácida en puntos muy lejanos a la fuente primaria de contaminación, convirtiendo éste en un problema regional que cruza las fronteras entre los países. El SO2 y los NOx causan daño tanto a través de la deposición seca que daña la vegetación y las estructuras, como por la deposición húmeda cuando se disuelven en la lluvia, agua de las nubes o vapor de agua en la atmósfera.

Una variedad de mecanismos puede causar que se formen los ácidos. Las reacciones químicas dominantes dependen de las condiciones locales y del clima, al igual que de la composición de la atmósfera local. La luz del sol, las cenizas y los elementos traza pueden también favorecer los procesos de formación de los ácidos bajo ciertas circunstancias.

El efecto invernadero y el cambio climático

La atmósfera terrestre es transparente a la radiación solar incidente. Una pequeña fracción de esta radiación se refleja al espacio, pero la mayoría llega hasta la superficie terrestre, donde es absorvida y re-emitida en todas direcciones como radiación térmica (infraroja). La atmósfera contiene gases que no son transparentes a la radiación térmica. Como consecuencia, la atmósfera se calienta más de lo que lo haría sin la presencia de estos “gases de efecto invernadero” (GEI). Éstos actúan como una alfombra alrededor de la Tierra y la calientan, de forma semejante a los invernaderos que en el invierno se mantienen suficientemente calientes como para permitir el crecimiento de los vegetales y flores fuera de temporada.

La mejor información disponible sobre cambio climático está en el Panel Intergubernamental para la Evaluación Científica del Cambio Climático (PICC), patrocinado conjuntamente por la Organización Mundial de Metereología (OMM) y el Programa de las Naciones Unidad para el Medio Ambiente (PNUMA). Lo constituyen cientos de científicos de 25 países. En 1990, el PICC publicó un reporte que constituye la recopilación de los puntos de vista de la comunidad científica que ha sido actualizado en 1992 y 1995. Las conclusiones mas importantes son:

- Las actividades humanas están aumentando sustancialmente las concentraciones atmosféricas de los gases de efecto invernadero.

- Los estudios empíricos y de modelización indican que doblar la concentración de CO2 incrementaría la temperatura media global de la superficie terrestre de 1.5 a 4.5º C y elevaría el nivel del mar entre 0.2 a 0.8 m, excluyendo la fusión del hielo de los casquetes polares, pero incluyendo el efecto de los aereosoles. Las velocidades históricas de esta elevación han sido entre 3 y 10 veces menores

- La media global de la temperatura del aire ha subido de 0.3 a 0.6º C en los últimos 100 años.

- Las velocidades de calentamiento están entre 0.12 a 0.26º C por década (incluyendo los efectos de los aereosoles). Históricamente la velocidad máxima de este incremento era de 0.1ºC.

El hecho que las emisiones de CO2 a partir de la quema de los combustibles fósiles pueda causar el calentamiento de la Tierra (por medio del efecto invernadero) fue puntualizado por Arrhenius hace más de 100 años, pero permaneció como un asunto académico hasta la mitad de este siglo. La evidencia experimental establecida a partir de 1950 prueba que la composición de la atmósfera ha estado cambiando desde el comienzo de la Revolución Industrial y que la velocidad de cambio es cada vez mayor. Los gases que son más importantes en esta discusión son el CO2, los clorofluorocarbonados (incluyendo el CFC-11 y el CFC-12), el metano (CH4), y el óxido nitroso (N2O). La efectividad de estos gases para contribuir al calentamiento global depende de su tiempo de vida en la atmósfera, y de sus interacciones con otros gases y vapor de agua. Tal efectividad se mide con un indicador llamado el Potencial de Calentamiento Global (PCG) (tabla 4). Los aereosoles tienen un tiempo de vida en la atmósfera mucho más corto que los gases de efecto invernadero.

Tabla 4:

PGC s (Potencial de Calentamiento Global) directos para un intervalo de tiempo de 100 años

Gas

PCG

CO2

1

CH4

11

N2O

270

CFC-11

3400

CFC-12

7100

HCFC-22

1600

HFC-134ª

1200


Fuente: Cambio Climático. Evaluación Científica PICC. Cambridge University Press. Cambridge. Reino Unido. 1995.

El CO2 es el principal contribuyente al calentamiento por efecto invernadero, pero el hecho que el CH4 tenga un PCG once veces mayor que el del CO2 explica por qué el metano, que es mucho menos abundante que el CO2 en la atmósfera (1.71 ppmv, comparado con 355 ppmv), contribuye significativamente al calentamiento global.

Desertificación y Deforestación

La desertificación se define por lo general como la degradación del suelo en las regiones áridas, semi-áridas y secas sub-húmedas, que resulta principalmente del impacto humano adverso. Es el principal problema medioambiental de las regiones secas. En el presente, la desertificación afecta a casi 3.6 millardos de hectáreas (casi un cuarto del total global) excluyendo los desiertos naturales hiper áridos. Casi un sexto de la población mundial se ve afectada por este problema. Aproximadamente dos tercios de las regiones áridas están en Asia y África, y el resto está distribuido más o menos equitativamente entre Sudamérica, Norte América y Australia. Las estadísticas globales en lo referente a tendencias de desertificación son escasas, pero están llenas de ejemplos de eventos muy notables en algunas áreas alrededor del mundo.

Kenya

Tendencias de desertificación recientes

En el lago Baringo, un área de 360.000 hectáreas, la velocidad anual de degradación de la tierra y/o desertificación entre 1950 y 1981 era de 0.4%. En Marsabit, un área de 1.4 millones de hectáreas, era de 1.3% para el período de 1956 a 1972.

Túnez

La velocidad anual de desertificación durante el siglo pasado era del orden del 10% y casi 1 millón de hectáreas se perdieron al desierto entre 1880 y el presente.

China

La velocidad de desertificación anual promedio en el presente y/o degradación de la tierra para el país es de casi un 0.6%, mientras en algunos lugares como la comarca de Boakong, al norte de Beijing en la Provincia de Hebei, alcanza el 1.3% y hasta el 1.6% en la comarca de Fengning.

Antígua URSS

La velocidad de desertificación anual y/o de invasión de arena en algunos distritos de Kalmykia, al noroeste del mar Caspio, fue estimada recientemente en un 10%, mientras en otras localidades era del 1.5 al 5.4%. El crecimiento del desierto alrededor del mar de Aral que se va desecando se estimó en casi 100.000 hectáreas por año durante los pasados 25 años, lo cual da una velocidad de desertificación anual promedio del 4%.

Yemen

El promedio de la velocidad anual de abandono de tierra cultivable del país debido a la degradación del suelo ha aumentado de 0.6% en 1970-1980 a casi 7% en 1980-1984.

Sahara

Un análisis reciente, usando los índices de vegetación determinados a través de imágenes satélite, ha mostrado una expansión estable del Sahara entre 1980 y 1984 (un incremento de aproximadamente 1.350.000 km2) seguida de una recuperación parcial en 1990.

Fuente

Tucker, C.J., Dregne, H.E. y Newcomb, N.N. 1991. “Expansion and Contaction of the Sahara Desert from 1980 to 1990”. Science, 253, 299-301. Environmental Data Report, Basil Blackwell, Oxford, UK.

Los bosques se están perdiendo continuamente en muchos países en vías de desarrollo, debido a sobre-explotación, regeneración inadecuada, agricultura, urbanización y contaminación del aire. Los bosques europeos fueron talados extensivamente entre hace unos 7000 a 3000 años; en la cuenca del Mediterráneo fueron explotados en tiempos de las civilizaciones Griega y Romana que utilizaron la madera para la fundición del metal, construcción de barcos y otros propósitos. En las áreas de los bosques tropicales, el registro de impacto se remonta a milenios, probablemente unos 23.000 años en la región del Amazonas del Perú. La expansión del colonialismo europeo alrededor del mundo desde el año 1500 hasta hoy, produjo la mayor parte de la destrucción de los bosques. En los EUA, 60.000 km2 fueron talados en 1850, y 660.000 km2 en 1910. En Canadá, Nueva Zelanda, Sudáfrica y Australia, un total de 400.000 km2 de bosque y tierras madereras fueron talados a principios del siglo XX. En los trópicos se ha estimado que 2.4 millones de km2 de bosque se han talado entre 1860 y 1978, además de 1.5 millones de km2 de regiones madereras abiertas.

Contaminación de las costas y del mar

El mar es el último lugar a donde van a parar la mayoría de los residuos líquidos y una considerable fracción de los residuos sólidos que se generan por la actividad humana. Más de tres cuartos de toda la contaminación del mar viene de las fuentes localizadas en tierra, a través de drenajes y descargas hacia los ríos, bahías, costas abiertas y la atmósfera. Las fuentes de contaminación restantes son el transporte por barco, la explotación minera y la producción petrolífera (relacionada con la producción energética). El petróleo que normalmente acaba en el mar puede tener diversos orígenes: natural, por contaminación atmosférica, por transporte marítimo, por explotación en el mar y por desechos industriales y municipales. La contaminación por petróleo es una forma altamente visible de contaminación marina y por tanto deben tomarse en consideración medidas de regeneración y corrección. El número de derrames de crudo en el mar ha disminuido de 120 en el año 1974/75 a 40 en 1988/89. La cantidad de petróleo derramada ha ido decreciendo, aunque los grandes accidentes siguen constituyendo la mayor cantidad de los derrames anuales.

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