15.6: Tecnología Verde para la Conversión de Energía

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Las tecnologías verdes tienen mucho que ver con los importantes procesos por los que la energía se convierte entre diversas formas. Algunos de los aspectos más importantes de tales conversiones se discuten aquí.

Eficiencia de conversión de energía

La energía se conserva mejor mediante la conversión eficiente de energía. Se han logrado eficiencias de conversión de energía enormemente mejoradas en motores térmicos tales como motores de automóviles y turbinas de gas por temperaturas de combustión más altas que son posibles gracias a materiales mejorados y aceites lubricantes resistentes al calor. El diseño computarizado y la operación de motores que permiten una sincronización óptima de encendido, sincronización de válvulas e inyección de combustible han hecho posible motores extremadamente eficientes.

Como se señaló en la discusión de la ecuación de Carnot anterior, los motores térmicos suelen disipar más de la mitad de la energía en el combustible como calor. Una pequeña fracción de este calor es utilizada por los calentadores en los automóviles. En las centrales eléctricas estacionarias gran parte de esta energía puede ser recuperada para calentar edificios o procesos químicos con ciclos de potencia combinados. como se ilustra en la Figura 15.7. Por lo general, en las instalaciones de ciclo eléctrico combinado se quema gas o fuelóleo en un motor de turbina que es muy parecido al motor de un avión turbohélice, y el eje giratorio de este motor se acopla a un generador para producir electricidad. Los gases de escape calientes de la turbina de combustión pueden inyectarse en una caldera donde su calor convierte el agua líquida en vapor. Este vapor se puede hacer funcionar a través de una turbina de vapor acoplada a un generador para producir más electricidad. El vapor que sale de la turbina de vapor todavía contiene mucho calor y puede transportarse a hogares y otras estructuras para calentar. El agua condensada de este vapor es pura y se recicla a la caldera, minimizando así la cantidad de agua de alimentación de la caldera de maquillaje, lo que requiere un tratamiento costoso para que sea adecuado para su uso en calderas. Un sistema como el descrito se ajusta a las mejores prácticas de la ecología industrial. El calentamiento con vapor que ha pasado a través de una turbina de vapor, un concepto conocido como calefacción de distrito, se practica comúnmente en Europa (y en muchos campus universitarios en Estados Unidos) y puede ahorrar grandes cantidades de combustible que de otro modo serían necesarias para la calefacción.

Figura 15.7. Un ciclo de energía combinado en el que el gas natural o el petróleo se utiliza por primera vez para disparar una turbina de gas conectada a un generador eléctrico. Los gases de escape calientes de esta turbina se alimentan a una caldera para producir vapor, que impulsa una turbina de vapor, también conectada a un generador. El vapor de escape aún caliente de la turbina de vapor se distribuye a edificios residenciales y comerciales para su calefacción. El agua condensada del vapor utilizado para calentar edificios se devuelve a la central eléctrica para generar más vapor, lo que conserva el agua y además evita la necesidad de tratar más agua a los altos estándares requeridos para una caldera

Eficiencia de conversión de la energía química

En algunos casos existe la necesidad de convertir la energía química de una forma a otra para que pueda ser utilizada de la manera deseada. La generación de gas hidrógeno a partir de combustibles fósiles es un importante proceso de conversión de energía química que puede llegar a ser mucho más ampliamente practicado ya que las celdas de combustible, que utilizan hidrógeno elemental como combustible, entran en uso más común. El hidrógeno se puede obtener de varias fuentes. La materia prima más barata y abundante para la generación de hidrógeno es el carbón y los mismos procesos generales se pueden aplicar a otros materiales que contienen carbono, especialmente la biomasa renovable. Cuando se utilizan materiales a base de carbono para generar hidrógeno, el hidrógeno en realidad proviene del vapor. En este proceso, conocido como gasificación de carbón parte del carbón se quema en una corriente de oxígeno,

\[\ce{C(coal) + O2 \rightarrow CO2 + heat}\]

dejando un residuo sólido de carbono muy caliente del carbón no quemado. Este material reacciona con el agua en vapor,

\[\ce{C(hot) + H2O \rightarrow H2 + CO}\]

para generar H ₂ y CO elementales en una reacción que absorbe calor. El CO se puede hacer reaccionar con más vapor sobre un catalizador apropiado,

\[\ce{CO + H2O \rightarrow H2 + CO2}\]

para aumentar la relación de H ₂ a CO.

Las reacciones mostradas anteriormente para la generación de hidrógeno elemental a partir del carbón y el agua se han utilizado desde hace más de un siglo en la industria de gasificación del carbón. Antes de que el gas natural entrara en uso común, el vapor soplado sobre carbón calentado se utilizó para generar una mezcla de gas de síntesis de H ₂ y CO que se canalizó a los hogares y se quemó para encenderse y cocinar. La mezcla se quemó bien, pero, además de formar mezclas explosivas traicioneras con aire, fue letal inhalar por el tóxico monóxido de carbono. Pero el proceso puede tener un futuro para la generación de hidrógeno elemental para su uso en pilas de combustible. Al usar oxígeno puro como oxidante, plantea la posibilidad de producir dióxido de carbono de gases de efecto invernadero en forma concentrada que puede ser bombeado bajo tierra o impedido de otra manera que entre en la atmósfera. La retención de dióxido de carbono de esta manera se denomina secuestro de carbono y es objeto de una intensa investigación.

La mezcla de gases de síntesis de H ₂ y CO ₂ es una buena materia prima para la elaboración de otros productos químicos, incluyendo hidrocarburos que pueden ser utilizados como gasolina o combustible diesel. Combinados en las proporciones correctas sobre un catalizador adecuado, estos dos gases pueden ser utilizados para hacer metano, el principal constituyente del gas natural:

\[\ce{CO + 3H2 \rightarrow CH4 + H2O}\]