Existe actualmente una gran inquietud relacionada con el efecto ambiental de los sistemas predominantes de generación y transporte de energía y por eso mismo hay un gran interés en las llamadas «energías renovables», cuyo uso se viene incrementando significativamente. Sin embargo, también existe una confusión de términos y de conceptos relacionados con las fuentes y formas de la energía. Frecuentemente se oye hablar de «búsqueda de nuevas fuentes de energía» como si se tratara de la búsqueda de la máquina perpetua. Por esto es necesario explicar cuáles son las fuentes y las formas de energía disponibles en la Tierra.
Siendo estrictos existen solamente tres fuentes primarias de energía:
Estas tres son las fuentes primigenias de toda la energía que se dispone en el planeta y a partir de ellas se forman las fuentes secundarias de energía que son aquellas a las que tenemos acceso y se deben transformar de alguna manera en lo que llamaremos «portadores» o «vectores» de energía para su posterior transporte y consumo.
El Sol es la principal fuente primaria de energía y las fuentes secundarias que de él se derivan son bastante diversas: la radiación solar se puede usar directamente para la obtención de energía eléctrica o térmica; las plantas, algas y bacterias la usan para fijar el gas carbónico atmosférico en forma de carbohidratos, que conforman la biomasa, que a su vez, por medio procesos geológicos se han venido transformando en combustibles fósiles; la biomasa puede ser transformada mediante procesos de refinación en agrocombustibles; el sol calienta el aire atmosférico produciendo el viento, que a su vez produce el oleaje en el mar; el sol aporta la energía para evaporar el agua, iniciando así el ciclo del agua que permite la generación hidroeléctrica.
La Tierra se puede considerar como una fuente de energía térmica, aprovechable por medio de los los yacimientos geotérmicos. De otro lado, en el subsuelo terrestre se encuentran yacimientos de uranio, mineral que es la fuente, por ahora única, de energía nuclear.
Finalmente, la interacción gravitacional entre la Tierra, la Luna y el Sol produce las mareas, fenómeno que puede ser aprovechado para generación hidroeléctrica.
La Figura 1 resume los anteriores párrafos y además presenta los vectores energéticos, que se explican a continuación. La Figura 2 presenta el porcentaje de uso en las diferentes fuentes de energía en el consumo total mundial.
De la Figura 2 es importante resaltar que el 90.7% de la energía consumida mundialmente en 2017 proviene de combustibles. Las llamadas «energías alternativas» corresponden al 1.84% del consumo mundial, aunque esta participación viene creciendo activamente en los últimos años.
En muchos casos los yacimientos de fuentes secundarias de energía se encuentran retirados de los puntos de consumo, de otro lado, su condición natural requiere de procesos de transformación no sólo para su transporte sino para que su consumo sea seguro y efectivo. Por esta razón, a partir de algunas de las fuentes secundarias de energía se producen los llamados vectores energéticos que son formas por medio de las cuales se facilita el transporte y consumo.
Por ejemplo, en las refinerías de petróleo se transforma la fuente secundaria (el combustible fósil) en sustancias de fácil transporte y consumo (por ejemplo, la gasolina, el diésel o el hidrógeno). Otro caso es la electricidad, que se puede generar a partir de diversas fuentes secundarias y puede ser transportada a través de largas distancias para su uso en formas también diversas como trabajo mecánico, calentamiento, equipos electrónicos o iluminación.
De acuerdo con esto el hidrógeno no es una fuente de energía, ni primaria ni secundaria, ya que no existe en la Tierra un yacimiento de hidrógeno. Éste se obtiene principalmente de la conversión del gas natural y es por lo tanto un portador o vector energético que se puede usar para generación de energía mecánica mediante la combustión o para la generación de energía eléctrica mediante celdas de combustión.
La energía es una medida de la capacidad de cambio asociada a la materia. Dependiendo de la forma en que suceda el cambio se habla entonces de distintas formas de energía.
De forma general, las formas de energía se pueden clasificar según dos criterios: el orden y el estado. El orden tiene con la forma como se transfiere la energía de un cuerpo a otra: con un movimiento ordenado o caótico de partículas. Cuando el cambio se asocia a procesos caóticos entonces se habla de formas de energía caracterizadas por la entropía (la definición de este concepto se tratará en otra entrada).
El estado de las formas de energía se refiere a su relación con la materia, si la energía está asociada al estado de la materia (temperatura, presión, concentración, elevación o velocidad) y puede ser energía potencial, cinética, interna, química o nuclear. La energía también puede estar en tránsito de un cuerpo a otro, entonces se habla de energía en transición, como es el caso del calor, el trabajo o la electricidad. La Tabla 1 presenta las diferentes formas de energía según los criterios descritos.
Una característica importante de la energía es que se puede transformar de una forma de energía a otra y dependiendo de su naturaleza, ordenada o caracterizada por la entropía, esa transformación puede ser total o parcial. Por ejemplo, la radiación solar que es una forma de energía en transición por medio de la fotosíntesis se puede almacenar químicamente en los enlaces moleculares de los carbohidratos. Esa energía química se puede liberar a través de la combustión y se obtiene energía térmica, que a su vez puede usarse directamente o puede servir para generar energía mecánica o electricidad. En otra entrada se explicarán los principios que hay detrás de los cambios en las formas de energía.
En los procesos industriales no toda la energía invertida se dirige efectivamente hacia los productos, de manera que se obtienen corrientes de energía residual o «recursos energéticos secundarios«, que son susceptibles de ser aprovechados en lugar de simplemente descargarlos al medio ambiente. Estos recursos energéticos secundarios suelen estar asociados a una de las siguientes formas:
Parte de la tarea de la eficiencia energética en procesos es encontrar una forma de aprovechamiento rentable para los recursos energéticos secundarios, reduciendo así las pérdidas de energía.
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Ingeniero químico, Ph.D. en ingeniería térmica. He trabajado como ingeniero de procesos en el sector petróleo y gas, energético e industria química. Instructor certificado en lenguaje Wolfram. Temas de interés: simulación y modelamiento de procesos, eficiencia energética, control de procesos, pensamiento computacional y redes neuronales.
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