Tapa word
- 1. 01 ELS RECURSOS ENERGÈTICS A la foto s’observen unes torres per a l’extracció de petroli. Sapsquinésl’origen del petroli i coms’extreu? Sabriesdescriure el procés que cal efectuar per tal d’obtenir gasolina a partir de petroli?
- 2. 26 01 BLOC 1. SISTEMES ENERGÈTICS 1.1 Fonts d’energia Qualsevolmàquina en funcionament, qualsevolacció de la nostra vida quotidiana... tot, absolutamenttot, necessitaenergia. Però, sapsd’ons’obté? Seguint el principi de transformació de l’energia, l’energia existeix a la natura, però cal transformar-la per aconseguir-ne un major aprofitament. Anomenem fonts d’energia els elements existents a la natura susceptibles de ser transformats en energia, comaral’aigua, el carbó, el petroli, etc. Les fonts d’energia són els recursos naturals dels quals es pot obtenir energia per produir calor, llum i potència. Les fonts d’energia al llarg del temps Al llarg de la historia l’ésser humà ha anat descobrint diferents recursos i mètodes nous per aconseguir l’energia necessària per al seu desenvolupament. Els pobles primitius únicament utilitzaven l’energia muscular i aprofitaven l’energia del Sol; més endavant feren servir la força dels animals i obtingueren el foc mitjançant combustibles vegetals. De fet, fins al seglepassat la fusta i elsresidusvegetals o animalsforenels combustibles corrents que l’ésserhumà va utilitzar per satisfer les necessitatsenergètiquesprimàries, llum i calor. Quan va necesitar gransquantitatsd’energia per a les màquines de les indústries, va recorrer a l’energia del vent i a l’energia de l’aigua. Fig. 1.1. La màquina de vapor va La revolució industrial del s. XIX, amb la utilització de la màquina de vapor en el permetre produir energía mecànica a transport i amb la progressiva mecanització del treball manual, va provocar un través de la combustió del carbó. important augment de la demanda d’energia. El carbó vegetal, cada vegada més escás i amb poc poder calorífic, fou gradualment substituït com a Font d’energia pel carbó mineral. A finals del s. XIX el carbó proporcionava el 59 % de l’energia consumida al món. Els constants avenços tècnics i, sobretot, la invenció i la utilització del motor d’explosió, va donar lloc al naixement i expansió de la industria de l’automòbil, màquina que requería benzina, un combustible derivat del petroli. Durant la Primera Guerra Mundial, el petroli es va confirmar com a recurs energètic fonamental, ates a l’eficàcia demostrada pels carros de combat, avions, etc. Els derivats del petroli presentaren grans avantatges respecte al carbó: més poder calorífic, absència de residussòlids, més facilitat d’obtenció i transport i, sobretot, molt més econòmics. A començaments de la década dels 70, el petroli era la fontd’energia més utilitzada; aproximadament el 50 % del consum mundial d’energia, amb una progressiócreixent. Fig. 1.2. Central nuclear de Trillo. L’any 1973, amb motiu de la guerra araboisraeliana, el preu del petroli es va triplicar en poquessetmanes, i va originar el que es coneix com a crisi de l’energia, que encara no s’haacabat. L’ús del gas natural es va començar a impulsar a partir de l’augment del consumenergètic Després de la Segona Guerra Mundial. Resolts els problems de transport i emmagatzematge, se’n va generalitzar la utilització com a combustible domèstic i industrial.
- 3. ELS RECURSOS ENERGÈTICS 01 27 La recerca de solucions per ferfront a la necessitat energética suposà el desenvolupament De l’energia nuclear. L’ús de l’energia nuclear va començara mb la construcció, l’any 1942, de la primera pila atòmica. L’any 1954 es va posar en funcionament, a l’antiga URSS, la primera central nuclear de fissió, que va iniciar una cursa de construccions de centrals nuclear sarreu del món. Problemes com la crisi del petroli, l’esgotament dels recursos, els accidents nuclears (Harrisburg, 1979 i Txernòbil, 1986) o la falta de solució al problema dels residus radioactius, ha portat a un canvi d’actuació i mentalitat respecte a la política energètica: l’estalvi d’energia i l’ús de recursos renovables són ara els nous reptes. Fonts d’energia tradicional: foc, aigua i vent Després del Sol, l’escalfor del foc, la força del vent i l’impuls de l’aiguasón les primeres fonts d’energia que l’enginy humà adaptà a les sevesnecessitats. El Sol fou la primera Font d’energia que va utilitzar la humanitat. Va ferpossible l’existència d’aliments (animals i plantes) i va permetred’escalfar-se, assecar les pells que protegeixen del fred i conservar elsaliments. Méstard, el descobriment i el domini del foc va suposar una revolució i va permetre una gran quantitat d’aplicacions. Empraven el foc per escalfar-se, cuinar, il·luminarse en la Fig. 1.3. Des del descobriment del foc la foscor, obtener estris i fondre els metalls. Durant molts segles la llenya, «el sol humanitat ha utilitzat la llenya com a font emmagatzemat a les cèl·lulesvegetals», va ser pràcticament l’única Font de calor d’energia. utilitzada. La humanitat ha disposatsempred’unaaltrafontd’energia, el vent. Tot i el seu carácter irregular, que fa difícil el seuaprofitament, ha estatutilitzat al llarg de la historia eneltransportfluvial i marítim i en elsmolins de vent per a l’obtenciód’energiamecànica. En el transport les primeresreferèncieshistòriques daten del 4500 aC. Gravats de l’èpocaegípciamostrenpetitesembarcacions de vela navegantpelNil. Fenicis, grecs i romans navegaren per tota la Mediterràniaambelsseusvaixells de vela. A Pèrsia, el s. V aCjas’empravenmolins de vent per bombaraigua. A Europa, a partir del s. XII es construïenmolins de vent per moldregra, sobretot en zonesonl’aigua era escassa i elsmolinsd’aigua no s’adaptaven a les sevesnecessitats. La utilitzaciódelscorrentsd’aigua ha estatfonamental per alprogrés de la civilització. L’aprofitamentmés elemental és la sínia, emprada en l’agricultura per regar. El s. I es va començar a utilitzar la roda hidràulica o molí d’aigua, que aprofitavaelscorrents i elssaltsd’aigua per obtenirenergiamecànica. Durantl’Imperiromà, el seuúss’estenguéràpidament i s’utilitzà per moldregra. Fig. 1.4. Molí de vent. A l’època medieval, amb la millora del seudisseny i rendiment, el molí d’aigua era la màquina per excel·lència, que afavoria el desenvolupament de les tècniques de transmissió del moviment per engranatges, de la indústriatèxtil (fonamental en l’economia de l’edatmitjana), de la indústria del paper, de la indústriametal·lúr- gica, etc. A l’edat moderna se’n va generalitzarl’ús en totes les activitats que s’anaven creant, i es considera que des del s. XVI fins a mitjan s. XIX, les rodes hidràuliques van ser les màquine smotrius més importants a Europa i a l’Amèrica del Nord. Amb el desenvolupament de la màquina de vapor es van deixant d’utilitzar tant els molins de vent com les rodes hidràuliques. Fig. 1.5. Roda hidràulica.
- 4. 28 01 BLOC 1. SISTEMES ENERGÈTICS Va ser a finals del s. XIX, amb el naixement de la indústriaelèctrica, que les energies del vent i de l’aigua van tornar a agafar volada. Primer amb l’energia hidràulica, les turbines, que substituïen les rodes, serien les màquines motrius que, impulsades per l’aigua, mourien elsgeneradors elèctrics. També es dissenyar en molins de vent per a la producción d’electricitat, però no va ser fins a finals del segle passat que es va estendre l’ús d’aerogeneradors per al subministrament d’energia elèctrica en llocs allunyats de la xarxes de distribució. Actualment, sobretot arran de l’impuls de les fonts d’energia renovables, es construeixen grans parc seòlics. Classificació de les fonts d’energia Fonts d’Energia En funció de la sevanaturalesa: Renovables Exhauribles Primàries. Es troben en la natura, com la llenya, l’aigua, el carbó, el petroli, etc. Energia solar Carbó Energia eólica Petroli Secundàries. S’obtenen a partir de les fontsprimàries, coml’electricitat o la benzina. Energia hidráulica Gas Natural Energia geotérmica Energia En funció de les reserves disponibles: Biomassa nuclear Residus sòlids que provenen del Sol, del vent, de la biomassa dels residus sòlids, del mar i de l’aigua urbans dels rius. Energia mareomotriu No renovables o exhauribles. N’hi ha reserves limitades. Són el carbó, el petroli, el Energia de les ones gas natural i l’urani. Taula 1.1. Classificació de les fons d’energia En funció del grau d’utilització: en funció de les reserves disponibles. Convencionals. Aquelles a partir de les quals es produeix la major part d’energia consumida per la societat: petroli, gas natural, carbó, hidroelèctrica, nuclear. No convencionals. Aquelles a partir de les quals es produeix una petit apart de l’energia total consumida per la societat, solar, eòlica, ... ACTIVITATS 1> Fes una relació de les fonts d’energia que utilitzes en 3> Fes una llista d’aplicacions concretes d’energia eólica i/o la teva activitat diària. hidráulica que coneguis. 2> Enumera les diferents fonts d’energia que provenen Quins són els avantatges i els inconvenient de l’ús de l’aigua i del Sol. del vent per obtenir energía mecànica? 1.2 Materials combustibles Els materials combustibles són substàncies que, en combinar-se amb l’oxigen, donen lloc al fenomen de la combustió, amb la qual cosa s’obté energia calorífica i, sovint, energia lluminosa. Els combustibles són, en general, compostos de carbonid’origen natural o sintètic. El primer combustible utilitzat per l’ésserhumà va ser la llenya, que, encara avui, és una importantfontd’energia per a moltshabitants de països del Tercer Món.
- 5. ELS RECURSOS ENERGÈTICS 01 29 El desenvolupament de la màquina de vapor va suposar una revolució en la utilització de la calor com a principal element per obtener energía mecànica. Els nous enginys, Combustibles pc però, necessitaran noves fonts d’energia, més abundants i amb més poder calorífic. És sòlids (MJ/kg) el momentdels combustibles fòssils. Llenya seca 18-19 Els combustibles fòssils són els combustibles naturals més abundants a la natura. En Antracita 34-35 funció del seu estat físic es poden classificar en sòlids, líquids o gasosos: Coc 29-33 Sòlids. El més utilitzat és el carbó, en qualsevol de les seves formes: antracita, hulla Lignit 28-29 o lignit Combustibles pc Líquids. En general provenen de la destil·lació del petroli (benzina, querosè, gasoil i líquids (MJ/kg) fuel), encara que en alguns països també s’utilitzen alcohols, com ara l’etanol i el metanol, que provenen de plantes. Benzina 49 Querosè 46 Gasosos. Els més utilitzats són el gas natural i els gasos liquats del petroli (GLP), com ara el butà i el propà. Gasoil 44 Fuel 43-45 Poder calorífic i capacitat calorífica Combustibles pc gasosos (MJ/kg) El poder calorífic és l’energia que es desprèn en la combustió completa de la unitat Hidrogen 142 de massa o volum d’un combustible. Gas natural 42 Gas butà 49 En els combustibles sòlids o líquidss’expressa en kcal/kg o en MJ/kg; en elsgasosos es Gas propà 51 potexpressar en kcal/m3 o en MJ/m3, en condicions normals (CN), a 1 atmosfera de pressió i a 0 ºC de temperatura. Taula 1.2. Poder calorífic dels principals combustibles. Normalment els combustibles gasosos es distribueixen a pressions i temperaturas diferents de les condicions normals. Per calcular-ne el poder calorífic en les noves condicions de pressió i temperatura s’utilitza la fórmula següent: EXEMPLE 1 Calcula el poder calorific del buta si en CN es de 28 700 kcal/m3, quan se subministra a 5 atm i 22 °C. Resolució
- 6. 30 01 BLOC 1. SISTEMES ENERGÈTICS La capacitat calorífica (C) és la quantitat de calor que ha de rebre una substància 1 joule (J) = 0,24 calories (cal) per elevar la seva temperatura en 1 K o 1 °C. 1 caloria (cal) = 4,18 J Així, la quantitat d’energia tèrmica (Q) necessària per elevar la temperatura d’un cos 1 kcal = 4,18 kJ des d’una temperatura inicial T1 fins a una final T2, val: on Ce es la calor especifica del cos, que es la capacitat calorífica per unitat de massa i es mesura en KJ/kg · °C o kcal/kg · oC. EXEMPLE 2 Calcula la quantitat de calor que necessitarem per escalfar 75 L d’aigua de 25 oC a 75 °C tenint en compte que la ce de l’aigua es 4,18 kJ/kg · °C i que 75 L’equivalen a 75 kg. Resolució EXEMPLE 3 Una estufa de buta te 5 cremadors, dels quals en poden funcionar simultaniament 1, 3 o 5. Cada cremador ences consumeix c = 68 g/h de buta. El poder calorific del buta es pc = 49,5 MJ/kg i se subministra en bombones que en contenen mb = 12,5 kg i valen p bombona = 8,78 €. Determineu: a) La potencia calorífica de cada cremador p cremador i la potencia de l’estufa p estufa. b) La durada t d’una bombona amb els 5 cremadors encesos. c) El preu p del kW · h obtingut amb aquesta estufa. Resolució a) La potencia de cada cremador serà l’energia consumida cada segon: i la potencia de l’estufa: P estufa = P cremador · 5 = 935 · 5 = 4 675 W b) La durada t d’una bombona amb els 5 cremadors encesos: