Recursos Energètics: Tipus, Usos i Impacte Ambiental

UNITAT 10. Recursos Energètics

En l’Univers hi ha dues formes d’energia: la lliure o disponible i la no disponible. La suma d’aquestes dues energies és constant; per tant, la quantitat d’energia disponible va disminuint a mesura que en fem ús, mentre va augmentant la quantitat d’energia no disponible. L’energia es pot classificar considerant diferents criteris:

• 1. Concepte i Classificació de l'Energia

  Classificació segons la Disponibilitat

  • Energies No Renovables

    Són les energies les fonts de les quals s’han format a escales de temps geològics i que, prenent l’escala humana del temps, no són renovables; per tant, la seva disponibilitat és limitada. És el cas dels combustibles fòssils, com el carbó o el petroli.

  • Energies Renovables

    Es caracteritzen perquè procedeixen de fonts d’energia que, de manera natural i contínua, es van renovant i es troben sempre a disposició de l’ésser humà. És el cas de l’energia solar, l’energia eòlica, l’energia hidràulica, l’energia geotèrmica i la bioenergia.

• Classificació segons l'Impacte Ambiental

  • Energies Brutes

    Són aquelles l’ús de les quals està associat a l’emissió de substàncies contaminants o a altres impactes ambientals. Per exemple, l’ús del petroli, que genera emissions de CO₂ a l’atmosfera, és una de les causes de l’efecte hivernacle i del canvi climàtic.

  • Energies Netes

    Són energies respectuoses amb el medi natural i garanteixen un desenvolupament sostenible sense danyar l’entorn local o global. N’és un exemple l’energia eòlica, capaç de produir electricitat a partir de la força del vent sense emissions contaminants.

• Classificació Convencional i Alternativa

  En un intent d’enllaçar aquests dos conceptes, la disponibilitat i l’impacte, apareix un tercer tipus de classificació:

  • Energies Convencionals

    Són les energies no renovables i renovables utilitzades tradicionalment, caracteritzades pel seu alt impacte en el medi (energies brutes).

  • Energies Alternatives

    Són les energies renovables que es caracteritzen pel seu baix impacte en el medi (energies netes). Si bé la classificació sembla senzilla, es plantegen problemes a l’hora de classificar l’energia hidràulica. Efectivament, es tracta d’una energia renovable, però no pot ser inclosa dins el grup de les energies alternatives, ja que és una energia tradicional i causa impactes en el medi. Així mateix, la biomassa (formada per residus orgànics) és una font d’energia renovable, però la seva combustió emet gasos. Alguns experts consideren la bioenergia una energia alternativa, ja que, si bé és cert que emet CO₂ a l’atmosfera, també ho és que els vegetals, mitjançant la fotosíntesi, tornen a fixar el compost, que d’aquesta manera completa el cicle plantes-biomassa-atmosfera-plantes.

2. Fonts d'Energia Convencionals i No Renovables

2.1. L'Energia del Carbó

El carbó és el combustible fòssil més estès al món. Es tracta d’una roca sedimentària d’origen orgànic, rica en carboni. Anomenem carbonització el procés de formació del carbó, que té lloc principalment en ambients lacustres, on les plantes que moren són descompostes per bacteris en condicions anaeròbiques. Això provoca l’eliminació d’elements volàtils com l’hidrogen, el nitrogen o l’oxigen i, per tant, una major concentració dels elements no volàtils, com el carboni o el sofre. L’enterrament posterior per sediments, així com les elevades temperatures i pressions a què són sotmesos aquests materials, fa que amb el pas del temps el procés de carbonització continuï. Els diferents tipus de carbó que hi ha són els següents:

• Torba. És el carbó més jove i el menys apreciat. El seu contingut de carboni no arriba al 60%, de manera que té un poder calorífic baix (menys de 4000 kcal/kg).
• Lignit. Té entre el 60% i el 75% de carboni, i un poder calorífic de fins a 6000 kcal/kg. Data del Mesozoic i el Cenozoic.
• Hulla. És el carbó més abundant. Conté el 90% de carboni i té un poder calorífic que pot arribar a 9000 kcal/kg. Data del Paleozoic.
• Antracita. Conté més del 95% de carboni i té un elevat poder calorífic. És el carbó més ric i, sovint, el més difícil d’extreure. Data del Paleozoic.

El carbó va començar a tenir importància com a combustible durant la segona meitat del segle XVIII, principalment per la seva aplicació a la màquina de vapor, i després es va utilitzar com a font d’energia principal durant tot el segle XIX amb la industrialització. A l’inici del segle XX es va començar a substituir pel petroli. Actualment, el carbó s’utilitza com a font energètica en la indústria metal·lúrgica i en centrals tèrmiques per produir electricitat. Amb vista al futur se’n preveuen noves aplicacions. Per exemple, s’investiga en plantes de gasificació o liqüefacció del carbó, per tal d’obtenir un gas amb un elevat poder calorífic, semblant al gas natural, anomenat SNG (Substitute Natural Gas), que, a més de reduir costos, causa menys impacte mediambiental. Així mateix, es treballa en el transport del carbó liquat a través de carboductes, la qual cosa en facilita la distribució. Els problemes mediambientals més importants generats com a conseqüència de la combustió del carbó són la contaminació de CO₂, responsable de l’increment de la temperatura de la Terra, i la pluja àcida, produïda per la combustió de carbons rics en sofre.

2.2. L'Energia del Petroli

La història del petroli és relativament recent, tot i que tradicionalment s’havien aprofitat alguns jaciments superficials d’asfalt, que s’usava com a betum per impermeabilitzar, com a combustible i també com a medicament. L’any 1859, Edwin Drake va fer el primer sondatge en profunditat amb la finalitat d’extreure’n petroli, a Pennsilvània (EUA). Aquesta exploració es considera l’inici de la indústria petroliera. Actualment, el petroli és la matèria energètica fonamental per a la indústria química, per a la producció d’energia i com a combustible per als transports. Com que fins ara s’ha explotat de manera intensa i es tracta d’un recurs no renovable, és arriscat fer previsions, però es creu que queda petroli disponible, a un cost d’extracció assequible, només per a dues dècades. Sigui com sigui, el fet és que no podem continuar explotant de manera indiscriminada durant gaires anys els jaciments coneguts. La composició del petroli varia d’una regió a una altra, però sempre presenta una mescla d’hidrocarburs sòlids, líquids i gasosos, i altres compostos oxigenats (àcids naftènics, fenols, quinolines, asfaltens i resines) i orgànics (colesterina i fitosterina). Els hidrocarburs sòlids són majoritàriament betums i asfalts; els líquids representen el que es coneix com a cru; més abundants en petrolis que han sofert temperatures altes i que, per tant, han madurat en excés. El petroli es forma al mar, a partir del plàncton que s’acumula al fons marí. Si els sediments l’enterren ràpidament, les condicions de manca d’oxigen en provocaran la descomposició per part dels bacteris anaerobis, que alliberen l’oxigen i el nitrogen, i s’enriquirà en carboni i hidrogen, elements fonamentals dels hidrocarburs. La sedimentació de materials al damunt, així com la subsidència de la conca sedimentària, afavorirà l’augment de temperatures d’aquesta pasta (querogen) i, per tant, la hidròlisi de les cadenes d’hidrocarburs en cadenes més petites (cru i gas). Tot aquest procés rep el nom de maduració. Els dos factors bàsics en la gènesi dels hidrocarburs són el temps (de 10 a 220 milions d’anys) i la temperatura (de 70 a 130ºC). Les temperatures més elevades converteixen el petroli en gas natural, a causa d’una excessiva hidròlisi. La maduració del petroli comporta una davallada de la seva densitat, cosa que en provoca una lenta ascensió o migració. En aquest camí cap a la superfície, pot topar amb una estructura impermeable (de margues o argiles) que el retingui, sempre que presenti una forma còncava cap a baix. Aquesta estructura rep el nom de trampa. La roca que guarda el petroli en una trampa és porosa i s’anomena roca magatzem. A l’interior de la trampa, el fluid se separa en tres components: gas a la part superior del dipòsit, petroli líquid al mig i aigua salada a sota. La prospecció del petroli requereix el coneixement dels materials del subsòl i de la seva estructura. Hi ha diversos mètodes d’exploració, entre els quals destaca la sísmica de reflexió, que informa de la disposició dels estrats. Un cop extret del jaciment, el petroli és separat d’altres residus, com aigua, fang, sorra, sals..., i és conduït cap a les refineries, on s’aïllen els productes afins dels hidrocarburs mitjançant una destil·lació fraccionada. D’aquesta manera, el petroli se separa en hidrocarburs gasosos, hidrocarburs lleugers i fraccions intermèdies. Dels hidrocarburs gasosos s’extreu el propà i el butà, que es comercialitzen com a gasos liquats per al consum domèstic, o bé es transformen en matèries plàstiques i gomes sintètiques. De les fraccions lleugeres, se n’obtenen dissolvents i benzines per a automòbils, i de les fraccions intermèdies s’extreu el querosè, per als motors agrícoles i els avions, i el gasoil, per als motors dièsel. Finalment, els residus resultants d’aquest procés de destil·lació donen olis minerals i asfalt. En qualsevol de les seves funcions com a combustible, el poder calorífic del petroli és superior al del carbó i se situa aproximadament en 10000 kcal/kg. El cicle del petroli comporta riscos i danys ambientals, tant en la fase d’extracció com en el transport, així com en la fase d’ús, a causa sobretot de l’emissió de CO₂ i altres gasos. El transport es fa amb vaixells petroliers o per mitjà d'oleoductes (en el cas del gas, gasoductes), que són grans canonades que poden ser de milers de quilòmetres. A diferència del petroli, el gas natural es pot distribuir directament a les cases. A més del seu ús particular, també es crema en centrals per generar electricitat. La seva combustió genera menys contaminació (només CO₂).

3. Fonts d'Energia Alternatives i Renovables

Un dels factors principals per aconseguir un desenvolupament sostenible és reduir gradualment l’ús de combustibles fòssils, que són sobretot els que provoquen l’augment de concentració de CO₂ en l’atmosfera i contribueixen a l’escalfament del planeta.

3.1. L'Energia Eòlica

Des de fa milers d’anys, la força del vent s’ha usat per impulsar vaixells, per bombar aigua, per moldre gra, per accionar serradores, etc. Actualment, però, l’aprofitament de la força del vent es basa en aerobombes i aerogeneradors. Les aerobombes s’utilitzen per bombar aigua subterrània. Els aerogeneradors es fan servir per produir electricitat; es calcula que, si s’aprofités només el 10% de l’energia eòlica que arriba arran de terra, es podria obtenir un potencial eòlic equivalent a 20 vegades l’actual consum energètic de tot el planeta. Al final del segle XIX es van inventar alguns artefactes eòlics, i al llarg dels segles XX i XXI han avançat molt les tecnologies que utilitzen el vent com a recurs energètic. Espanya ocupa el segon lloc del món pel que fa a aquest tipus de producció energètica (8504 MW), seguida dels Estats Units (6725 MW). Alemanya, amb 16628 MW, n’és el país capdavanter. Les grans traves burocràtiques a Catalunya fan que la nostra comunitat sigui una de les que menys contribueixen a la bona posició de l’Estat espanyol. Al nostre país, l’energia eòlica representa el 0,36% de la producció bruta d’electricitat i el 0,7% del total del consum d’energies renovables. L’any 2010, l’Associació Mundial d’Energia Eòlica espera que hi hagi instal·lats al món 160000 MW d’aquesta energia, cosa que implicaria un creixement anual de més del 15%. A Catalunya s’ha elaborat un mapa eòlic que indica la distribució territorial dels dos paràmetres que defineixen el vent –velocitat i direcció-; així s’ha pogut determinar l’existència d’àrees d’alta velocitat de vent per a l’emplaçament de possibles aerogeneradors. Actualment, a Catalunya hi ha pocs parcs eòlics. S’espera que, a causa de l’elevat potencial energètic detectat a partir de l’elaboració de l’Atles Eòlic de Catalunya (que es creu que és superior a 2200 MW), cap a l’any 2010 entrin en funcionament noves instal·lacions. No obstant això, per aprofitar al màxim la força del vent com a font d’energia cal disposar d’una tecnologia bàsica i, a més, conèixer amb detall les variacions d’intensitat i direcció del vent en cada zona. Perquè el recurs eòlic pugui garantir un bon rendiment econòmic, es necessiten vents d’una velocitat superior a 5 m/s, i una disponibilitat mínima d’unes 2500 h/any. Des del punt de vista econòmic, l’energia eòlica és una de les més competitives, pel fet que cada instal·lació té una rendibilitat econòmica molt alta. El cost principal correspon als aerogeneradors, i representa el 70% de la inversió global. L’any 2003, el preu d’un aerogenerador instal·lat (amb una potència mitjana de 600 kW) era d’uns 580000€. Com s’ha comentat anteriorment, l’energia eòlica no produeix emissions de gasos contaminants. Ara bé, els parcs eòlics tenen un gran impacte visual i, a més, els aerogeneradors interfereixen en les comunicacions i en el vol de les aus (0,006 col·lisions/aerogenerador/any). Un altre desavantatge és l’impacte acústic (Llei de Protecció contra la Contaminació Acústica, del 2002).

3.2. L'Energia Solar

L’ús directe o indirecte de la llum solar per satisfer les necessitats d’energia és de vital importància; sabem que el Sol és una font gratuïta i inesgotable i, per tant, una de les alternatives a l’actual crisi energètica dels combustibles fòssils. L’energia que arriba a la superfície del planeta en un dia assolellat és d’uns 1000 W/m², que es redueixen a 300 W/m² en un dia ennuvolat i a 100 W/m² en un dia boirós. Així, doncs, és evident que l’aprofitament d’aquesta energia depèn de tres aspectes: la intensitat de la radiació, que varia segons la latitud; els cicles diaris i anuals, i les condicions climàtiques. L’energia anual en forma de radiació solar rebuda a la Terra és d’uns 5,4 · 10²⁴ J, xifra que representa 4500 vegades l’energia que es consumeix. A Catalunya, la recopilació de dades sobre els índex de radiació solar arreu del territori va permetre l’any 1996 publicar l’Atles de Radiació Solar, en què es mostra que els valors de radiació diària disponible estan al voltant del 15 MJ/m², sense diferències significatives d’un lloc a un altre. L’aprofitament de l’energia solar consisteix en la seva captació i conversió en energia útil. Això no té cap efecte negatiu sobre la seva font, ja que el resultat net seria el mateix encara que no hi hagués intervenció humana; simplement hi ha una modificació del procés. Hi ha diversos sistemes tecnològics per captar l’energia del Sol i transformar-la en un altre tipus d’energia (tèrmica, elèctrica, química, etc.).

3.2.1. Energia Solar Tèrmica

En aquest cas, l’objectiu és captar l’energia del Sol per obtenir calor. Per això, calen unes instal·lacions, anomenades col·lectors solars, que disposen d’uns sistemes d’absorció de la radiació solar pels quals circula un fluid que capta l’energia radiada; si el sistema està unit a un dipòsit d’emmagatzematge, llavors l’energia captada es pot guardar. Hi ha sistemes passius i actius d’aprofitament de l’energia solar, depenent de si cal aportar energia exterior o no.

• Sistemes Passius. En són un exemple els hivernacles (constituïts per parets i sostres transparents), les cuines solars (formades per una capsa folrada internament de material reflector i una tapa de vidre) o el sistema passiu més elaborat, que és l’anomenada arquitectura bioclimàtica, que consisteix a construir un edifici aprofitant les condicions climàtiques per minimitzar el consum energètic, i on l’energia solar captada es distribueix de forma estructural per l’edifici.
• Sistemes Actius. Són sistemes de captació de la radiació solar mitjançant col·lectors que transfereixen la calor absorbida a través d’un fluid impulsat per una bomba. Aquestes tecnologies generen calor de baixa temperatura, amb sistemes senzills formats per una placa captadora plana, tot i que hi ha altres sistemes més sofisticats que permeten obtenir no solament temperatures més elevades per a ús domèstic, sinó també vapor per a processos industrials i agrícoles. El dispositiu bàsic de tots els sistemes tèrmics és el captador solar. N’hi ha de tres tipus, depenent de l’aprofitament que es faci de l’energia: sistemes de baixa temperatura, de temperatura mitjana i d’alta temperatura.
  • Sistemes de Baixa Temperatura. Proporcionen calor a temperatures inferiors a 100ºC. S’apliquen principalment per obtenir aigua calenta domèstica i per a la calefacció dels habitatges. Són les instal·lacions més comunes.
  • Sistemes de Temperatura Mitjana. Poden assolir valors entre 100 i 300ºC. Utilitzen captadors parabòlics, en què un mirall concentra l’energia solar en un tub col·lector ple d’un fluid (aigua, olis, anticongelants...), encarregat de recollir i transmetre la calor.
  • Sistemes d’Alta Temperatura. Poden arribar a temperatures per sobre de 4000ºC. Estan constituïts per una sèrie d’heliòstats, que són miralls que reflecteixen la radiació solar i la concentren cap a una torre central, amb una caldera on s’obté vapor per a usos tèrmics o termoelèctrics.

3.2.2. Energia Solar Fotovoltaica

Si fins aquí hem parlat de la utilització de l’energia solar en forma de calor, ara considerarem la utilització de la radiació del Sol en forma de llum per a la producció d’electricitat, directament a través de cèl·lules fotovoltaiques o bé convertint-la primer en calor i després transformant-la en electricitat en un cicle termodinàmic. La forma més simple d’ús de la conversió fotovoltaica es troba en alguns productes de consum, com ara les calculadores i els rellotges solars, que disposen d’una cèl·lula de silici o d’altres semiconductors (cadmi, gal·li o seleni), que amb llum solar brillant poden produir entre 0,5 i 0,6 volts. En aquests aparells s’han deixat de fer servir les piles, que contenen materials tòxics i, per tant, representen un gran avantatge ecològic. Cal diferenciar tres grans grups de sistemes fotovoltaics segons l’escala en què s’apliquen:

• Sistemes Autònoms. Són instal·lacions autònomes i separades de la xarxa elèctrica que generen energia a partir de la conversió fotovoltaica per cobrir les necessitats d’electricitat al mateix lloc on es produeix, com per exemple l’enllumenat públic de municipis, l’electrificació rural o la il·luminació d’hivernacles.
• Sistemes Connectats a la Xarxa Elèctrica. En aquest cas, l’electricitat generada no s’utilitza totalment per al consum dels habitants de l’edifici, sinó que se’n desvia una part a la xarxa elèctrica general, la qual cosa representa un estalvi d’acumuladors i bateries.
• Centrals Elèctriques. Poden ser centrals d’electricitat termosolars. Consten de miralls que concentren els raigs del Sol amb la finalitat d’escalfar un fluid que, un cop s’ha convertit en vapor, acciona una turbina que impulsa un generador elèctric. També poden ser centrals amb cèl·lules solars o fotovoltaiques. L’energia fotovoltaica és una energia neta, inesgotable i àmpliament disponible, cosa que permet mantenir una certa independència energètica, ja no tan sols d’altres països, sinó fins i tot de les companyies subministradores. El problema principal és la inversió inicial que cal fer, ja que inclou un equip d’emmagatzematge i de bateries que encareix aquest sistema de producció d’energia. Malgrat tot, cada cop és més rendible, i avui una família ja pot afrontar una inversió inicial que rendibilitzarà al cap de pocs anys.

Com Funciona una Cèl·lula Fotovoltaica?

Una cèl·lula fotovoltaica consta d’un semiconductor sòlid on es crea artificialment un camp elèctric permanent i, quan s’exposa a la radiació solar, es produeix una circulació d’electrons amb la creació d’un corrent elèctric entre les dues cares de la cèl·lula. A cada cèl·lula hi ha una capa N (amb excés de càrrega elèctrica negativa, on els electrons es poden moure lliurement), una capa P (amb excés de càrrega positiva, amb electrons fixos a la xarxa cristal·lina de silici) i entre aquestes dues parts una unió P-N, que fa possible l’aparició del corrent elèctric quan la capa N és il·luminada pels raigs solars. Les cèl·lules solars tenen una grandària de 8 a 10 cm² i un rendiment que oscil·la entre el 10 i el 19%, i la seva potència es mesura en watts pic (Wp), que és la potència que pot proporcionar una cèl·lula amb una intensitat de llum constant de 1000 W/m² i una temperatura interna de 25ºC. En instal·lacions fotovoltaiques que necessitin una potència mitjana, s’han de col·locar entre 20 i 40 cèl·lules solars per produir un corrent continu de 12-24 volts i generar potències d’entre 50 i 100 Wp.

3.3. L'Energia Geotèrmica

El nostre planeta és una font que irradia energia en forma de calor des de l’interior cap a la superfície. El gradient geotèrmic, és a dir, l’augment de temperatura en profunditat, és de 2,5-3ºC cada 100 metres de mitjana, però hi ha llocs amb anomalies geotèrmiques, en què el flux calorífic pot ser de 10 a 15 vegades superior al normal i on hi ha temperatures de 200ºC en profunditats de 1000m. La distribució irregular d’aquestes anomalies geotèrmiques té molt a veure amb la dinàmica interna terrestre. Els gradients més grans van lligats a:

• Zones de Subducció. Els magmes que es formen a partir de la litosfera que subdueix poden pujar cap a la superfície i generar forts gradients.
• Dorsals Oceàniques i Rifts Continentals. En aquestes zones hi ha magmes que pugen del fons de l’astenosfera, empesos pels corrents de convecció.
• Punts Calents. Independentment dels límits entre plaques, hi ha zones concretes, com el parc de Yellowstone o les illes Hawaii (EUA), a sota de les quals hi ha columnes de magma que ascendeixen.

L’origen d’aquesta calor és múltiple. A l’escorça, les principals fonts de calor són la desintegració de materials radioactius, que alliberen energia en forma de calor, com, per exemple, els isòtops d’urani, de tori i de potassi. També desprenen energia calorífica les friccions mecàniques entre les plaques litosfèriques o entre blocs de falles, així com algunes reaccions fisicoquímiques exotèrmiques. En qualsevol cas, es creu que l’origen principal de la calor de la Terra cal buscar-lo en el moment de la seva formació, fa uns 4600 milions d’anys, quan l’impacte de nombrosos planetesimals (meteorits) va originar, per acreció, el planeta. La col·lisió d’aquests cossos celestes a gran velocitat, atrets per la gravetat de l’embrió terrestre, va convertir la seva energia cinètica en calor. Des de llavors, la Terra s’ha anat refredant molt lentament. Al sud d’Europa hi ha una clara relació entre l’activitat geotèrmica i la tectònica de plaques, a causa de la col·lisió amb la placa africana, i amb petites plaques entremig que han delimitat un cinturó de marges de placa, entre els quals hi ha la península Ibèrica, Itàlia i els Balcans. A més, el rift europeu que travessa França, de nord a sud i Catalunya (vulcanisme de la Garrotxa), també ha generat zones amb forts gradients geotèrmics. Així mateix cal incloure-hi les illes Açores i els fenòmens termals d’Islàndia, tots dos situats sobre la dorsal atlàntica, que representa un límit de plaques constructiu. A Catalunya, el major flux calorífic se situa al sector oriental, prop de la costa, i a la plataforma continental, on hi ha una relació inversa entre el gruix de l’escorça i els nivells de flux tèrmic. Així, per exemple, a la zona volcànica de la Garrotxa i a la plana de l’Empordà, la discontinuïtat de Mohorovicic (separació entre escorça i mantell) es troba només a 30 km de profunditat i, per tant, la capa cortical és relativament prima comparada amb altres zones continentals, conseqüència de la distensió lligada al rift europeu. A casa nostra, la recerca geotèrmica va començar l’any 1975 amb l’exploració de la falla del Vallès, que va posar de manifest un excel·lent magatzem geotèrmic de 90ºC entre Caldes de Montbui i Cànoves i Samalús. A Catalunya hi ha diverses manifestacions de tipus hidrotermal, que corresponen fonamentalment a causes tectòniques, com ara la fossa tectònica del Vallès, la depressió de l’Empordà, la del Camp de Tarragona i els grans massissos granítics dels Pirineus. Els avantatges d’aquest tipus d’energia són nombrosos: es tracta d’energia neta i renovable, amb instal·lacions de baix cost i una explotació senzilla. Pel que fa als desavantatges, no és una energia a disposició de tothom, ja que es troba molt localitzada. L’energia geotèrmica té diverses aplicacions, com ara aigües termals, en balnearis o en habitatges, i també com a energia elèctrica, quan les temperatures són altes, a partir de 150ºC (en profunditat, les fortes pressions fan que l’aigua bulli a més de 100ºC).

3.4. L'Energia de l'Hidrogen

L’hidrogen es presenta com una de les alternatives al sistema energètic actual dels transports basat en els combustibles fòssils. L’obtenció d’energia a partir d’aquest abundant element químic es fa a través d’un dispositiu anomenat pila de combustible. Hi ha nombrosos dissenys diferents de piles de combustible, però tots es basen en la generació d’un corrent elèctric quan l’hidrogen reacciona amb l’oxigen per formar aigua. La reacció química d’aquest procés és la següent: 2H⁺ + O^2- → H₂O (v)

L’obtenció d’hidrogen per utilitzar-lo com a combustible es pot fer a partir de diversos processos:

• Producció fotocatalítica: a partir d’algunes substàncies com el sulfur de cadmi.
• Electròlisi de l’aigua.
• Tractament del carbó o el gas natural.

Aquesta última opció, tot i que encara s’utilitza, no comporta una independència dels combustibles fòssils i, per això, la recerca se centra principalment en els altres dos processos i, sobretot, en el segon, ja que l’aigua és una substància abundant a la Terra i totalment innòcua. El principal problema per obtenir hidrogen a partir de l’electròlisi de l’aigua és l’elevat cost energètic del procés: H₂O (l) + energia → 2H₂ (g) + O₂ (g)

La utilització d’energies alternatives (solar, fotovoltaica, eòlica, etc.) per obtenir hidrogen mitjançant aquest procés químic és, avui dia, l’única opció per aconseguir que un sistema energètic basat en l’hidrogen no comporti impactes mediambientals. En qualsevol cas, les piles de combustible han d’incorporar un condensador del vapor d’aigua que s’allibera en el procés, per convertir-lo en aigua líquida, ja que aquest és un gas d’efecte d’hivernacle. Altres riscos originats per l’ús de l’hidrogen com a combustible podrien derivar-se del seu emmagatzemament i distribució, ja que es tracta d’un gas altament inflamable.

3.5. L'Energia Mareomotriu

L’energia hidràulica marina utilitza la força motriu de les marees per produir energia elèctrica. Aquesta energia va ser emprada en temps remots, ja que es tenen referències de molins accionats per les marees als segles X i XI, però va ser al segle XVII que es va aprofitar la força del mar a tot Europa, sobretot al sud d’Anglaterra, a França i als Països Baixos. A l’inici del segle XX, es va començar a usar aquesta força per generar electricitat a la Bretanya francesa, i el 1966 s’hi va inaugurar la primera central mareomotriu (la Rance), que el primer any ja va produir l’1% de l’electricitat consumida a tot França. Malgrat que l’energia continguda a les marees és enorme, només es pot utilitzar en uns indrets molt determinats del litoral, que són aquells en què la diferència entre la plenamar i la baixamar supera 10 metres. El funcionament d’una central mareomotriu consisteix en el procés següent: quan la marea arriba a la seva altura màxima, s’obren les rescloses del dic de contenció i l’aigua del mar entra a l’interior. El salt d’aigua que es produeix (semblant al sistema d’una central hidràulica fluvial) fa moure les turbines, que transmeten el moviment de rotació a un conjunt d’imants que indueixen la generació d’electricitat. Quan arriba la baixamar, les rescloses es tornen a obrir, l’aigua embassada surt a l’exterior del dic i es produeix una altra vegada energia elèctrica. L’energia mareomotriu és renovable i neta, però la relació entre la quantitat que se’n pot obtenir amb els mitjans actuals i el cost econòmic i, també, el fort impacte ambiental d’aquests dispositius sobre la dinàmica litoral n’han impedit la proliferació. Encara representa un percentatge molt mínim de l’energia generada i consumida al món. Com ja hem dit, a França es va instal·lar el 1966 una central a l’estuari del riu Rance. Actualment produeix uns 600 milions de kWh anuals, el 5% de l’energia elèctrica que consumeix la regió de la Bretanya. Altres projectes similars en països com el Canadà o el Regne Unit estan en fase experimental.

3.6. L'Energia de Fusió Nuclear

La fusió de dos nuclis genera una quantitat d’energia més alta que la fissió nuclear. Les primeres fusions que es van intentar aconseguir pretenien fondre dos nuclis de dos isòtops d’hidrogen (deuteri i triti) per formar un nucli d’heli, que són les reaccions que tenen lloc als estels i que generen grans quantitats de llum i de calor. Per poder produir aquesta fusió d’isòtops d’hidrogen, cal que els nuclis s’acostin molt, cosa que en condicions normals no és possible, a causa de la seva repulsió. Això s’aconsegueix a altíssimes temperatures (desenes de milions de graus); llavors, és quan els àtoms perden els electrons i es forma un plasma de nuclis positius. Perquè aquest plasma sigui estable, s’ha de sotmetre a camps electromagnètics elevats. Així es va construir la bomba d’hidrogen, utilitzada amb finalitats militars. Des del naixement d’aquesta mortífera arma, s’intenta aconseguir una reacció de fusió continuada, capaç de proporcionar energia que es pugui aprofitar amb finalitats pacífiques, però fins avui només s’han pogut fer fusions nuclears aïllades i no controlades i, malgrat els esforços en aquest camp, els resultats són bastant imprevisibles per les enormes dificultats tecnològiques que s’han de superar. Aquesta energia té importants avantatges: no es produeixen residus radioactius i calen minúscules quantitats de combustible (10 g de deuteri i 15 g de triti generen prou energia per satisfer la demanda elèctrica d’una persona tota la vida). Per contra, el reactor, en absorbir els neutrons alliberats, es pot tornar radioactiu. A més, el triti és un isòtop radioactiu poc manejable.

3.7. La Bioenergia

S’entén per biomassa tot el conjunt de matèria orgànica d’origen animal, vegetal o transformada que es troba a la Terra. Se sol utilitzar per fer referència als combustibles que provenen, directament o indirectament, d’aquests recursos biològics, i s’usen per obtenir energia (bioenergia). Com que tota la matèria orgànica deriva, directament o indirectament, del procés fotosintètic dels vegetals, que sintetitzen els compostos orgànics a partir de l’aigua, el CO₂ i els minerals del sòl gràcies a la radiació solar, es pot dir que la biomassa és energia solar transformada i emmagatzemada en forma d’éssers vius. L’eficiència global de la fotosíntesi és només del 0,08% de la radiació solar que incideix sobre les capes altes de l’atmosfera. Encara que de la seva combustió en resultin emissions de CO₂ i altres gasos, globalment té efectes ambientals positius, ja que si se’n fa un ús sostenible s’absorbeix aquest CO₂ durant el procés fotosintètic. L’ús de la bioenergia té efectes positius i negatius. D’una banda, la combustió de la biomassa produeix la mateixa quantitat de CO₂ que va consumir per formar-se i, per tant, deixa el sistema en equilibri; a més, s’utilitza com a substitut dels combustibles fòssils. Però, de l’altra, una potenciació excessiva de la bioenergia incrementaria la desforestació del planeta, i augmentaria la quantitat de CO₂. Un altre problema de l’ús de la biomassa és l’encariment de productes alimentaris bàsics, com els cereals, a causa de l’alta demanda: és més rendible vendre cereals per produir combustible que per menjar. Segons estudis recents, per aconseguir estabilitzar les concentracions de gasos amb efecte d’hivernacle al nivell dels anys trenta del segle XX, caldria que el 40% de l’energia elèctrica produïda al món s’obtingués a partir de la biomassa. La biomassa com a font per produir energia renovable es pot classificar en:

• Biomassa Natural. Es produeix de manera espontània en la natura, sense intervenció humana (llenya, fusta, etc.).
• Cultius Energètics. Són cultius fets tant en terrenys agrícoles com forestals, destinats a la producció de biomassa amb finalitats no alimentàries.
• Biomassa Residual Seca. Prové de residus generats en les activitats agrícoles i forestals, en la indústria alimentària i en la indústria de transformació de la fusta.
• Biomassa Residual Humida. Prové dels residus biodegradables, siguin urbans, industrials o ramaders.

Per transformar la biomassa en energia hi ha diversos mètodes:

• Cremar biomassa i utilitzar la calor alliberada.
• Utilitzar microorganismes que degraden molècules orgàniques. Per exemple, la digestió anaeròbica per produir metà (biogàs) i la fermentació alcohòlica per produir metanol.

Els biocombustibles són combustibles produïts a base de matèria orgànica. Els dos més comuns són el bioetanol i el biodièsel, pensats com a substituts de la gasolina i el gasoil, respectivament. El bioetanol s’obté de plantes amb un elevat contingut de sucre o midó, com els cereals, i el biodièsel prové de les plantes oleaginoses com el gira-sol o la colza. A més, la recerca actual s’orienta cap als anomenats combustibles de segona generació, provinents de la cel·lulosa (fusta, palla, etc.). Actualment hi ha diverses experiències per aprofitar els residus agrícoles com a combustible en alguna indústria agroalimentària, i hi ha municipis que utilitzen per al seu transport públic biocarburants obtinguts a partir d’olis vegetals reciclats, barrejats amb gasoil al 50%, l’objectiu del qual és que al segle XXI totes les flotes d’autobusos públics a Catalunya funcionin totalment o parcialment amb aquests biocombustibles. Entre els diversos avantatges de l’ús de la biomassa com a combustible, hi ha la seva disponibilitat i el fet que es tracta d’un recurs renovable i de tecnologia barata. Un dels inconvenients, però, és que no és una font d’energia completament neta.